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Le stockage d’énergie sur batteries facilite le développement des énergies renouvelables

Par David Blood, Market Manager EMEA, Energy Grid-Tie Division, Parker Hannifin

Publication: 3 février

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Les systèmes de stockage d’énergie (ESS) prennent de plus en plus d’importance car les sources d’énergie renouvelables comme l’énergie éolienne, l’énergie houlomotrice et l’énergie solaire sont mises en service et connectées au réseau à un rythme croissant...
 

Les systèmes de stockage d’énergie sont nécessaires pour aider le réseau à faire face à l’instabilité et à l’imprévisibilité de ces systèmes de production d’électricité et s’adapter à une demande des consommateurs également variable.

Au Royaume-Uni, les énergies renouvelables produisent actuellement plus de 20% de l’électricité du pays et devraient dépasser 30% d’ici 2020. La capacité actuelle est de l’ordre de neuf gigawatts et offre un recours de plus en plus important à des formes de production d’énergie plus respectueuses de l’environnement.

Les systèmes sur batteries gagnent rapidement des parts de marché et peuvent être utilisés comme ESS en raison des progrès réalisés dans leur conception. D’autres approches de stockage d’énergie existent comme l’air comprimé, le pompage hydraulique et l’inertie d’un volant moteur. Les systèmes sur batteries, correctement conditionnés offrent des avantages en matière de mobilité et d’encombrement.. Les progrès dans la conception et la construction des batteries ont aidé les fabricants à améliorer le rendement, la durée de vie, ainsi que la sécurité de ces systèmes.

La configuration des batteries et du système peut apporter de nombreux avantages pour la qualité du réseau. Certaines configurations sont utiles pour permettre une décharge rapide afin de maintenir une fréquence stable sur le réseau et une certaine qualité, d’autres peuvent fournir une production de plus longue durée pour effectuer l’équilibrage de la charge et l’écrêtage, ou même une puissance de secours sur un micro réseau.

Les capacités techniques et les avantages d’un système de stockage d’énergie par batteries (BESS) permettent de traiter de multiples aspects en termes de qualité d’alimentation et de stockage.

- Régulation de fréquence : Les fournisseurs d’électricité doivent garantir le maintien de leur production dans une étroite gamme de fréquence ; un système de conversion de puissance (PCS) / BESS le permet aisément. Une demande élevée peut entraîner une légère baisse de la fréquence, en particulier sur les systèmes de faible capacité. Un BESS peut compenser le pic de charge avec une décharge d’énergie à travers le PCS dans la seconde.

- Contrôle de la rampe / Capacité de consolidation : Ces caractéristiques sont particulièrement importantes pour les sources d’énergie renouvelables comme les champs d’éoliennes et de panneaux solaires. Dans ces applications, l’élément de stockage peut combler les lacunes qui se produisent lorsque la production diminue en raison d’une réduction importante de vent ou lorsque des nuages se déplacent sur un champ solaire.

- Support VAR : La charge réactive réduit le rendement de la transmission et de la distribution, mais un BESS correctement étudié peut la compenser en fournissant une gamme de puissance réelle ou réactive réglable, permettant ainsi une utilisation plus efficace des lignes électriques et du matériel de distribution.

- Remplacement de la réserve : La capacité de réserve contribue à maintenir la production en cas de panne du groupe électrogène ou en cas de perte de transmission imprévue qui provoquent des réductions de puissance pour les clients. Maintenir la pleine capacité du générateur entraîne des émissions atmosphériques indésirables dues aux combustions fossiles. Un BESS peut remplacer la production classique de réserve et améliorer le rendement.

- Démarrage suite à un black out : Cette capacité permet à une centrale de redémarrer seule après une panne, une perte de connexion au réseau et / ou une perte de capacité de production. Un BESS peut permettre le nécessaire équilibrage de la puissance de l’installation avant un redémarrage.

- Arbitrage / Décalage horaire : Il s’agit du stockage de l’énergie à faible coût pour la vente ultérieure à des prix plus élevés. Généralement, cela se produit pendant les heures de demande plus faible.

- Transmission et Distribution (T & D) différées : Le fait de pouvoir différer les ajouts aux infrastructures de T & D est avantageux pour les entreprises qui connaissent une croissance importante, mais inégale, de la consommation d’électricité. Généralement, la demande est caractérisée par des pointes de charge toujours plus élevées et qui se produisent avec une fréquence croissante. Finalement, l’infrastructure de transmission et de distribution existante entre la centrale électrique et les clients devient le maillon faible. Une BESS correctement dimensionnée peut être déployée près de la charge pour niveler le flux d’alimentation et retarder une mise à niveau coûteuse.

- Le système de stockage d’énergie sur batteries : Un système de stockage d’énergie sur batteries se compose de deux parties principales un ensemble de batteries et un système de conversion de puissance (PCS) utilisé pour interfacer les batteries et le réseau. Ce système de stockage n’est pas dépendant du nombre de batteries ni de leur composition chimique, le lithium ion étant un choix fréquent dans les installations.

Les batteries individuelles sont connectées en série / parallèle afin d’obtenir la tension de borne requise pour un rendement maximal et pour la capacité de stockage requise. Le système de gestion de la batterie (BMS) qui surveille l’état de la batterie, le taux de charge et d’autres variables fait partie intégrante du système de stockage. Le BMS envoi généralement des informations au PCS ou au système de gestion de l’énergie (EMS), lui permettant de prendre des mesures lorsqu’une anomalie liée à la batterie se produit.

Le PCS bidirectionnel est une partie essentielle du BESS, puisqu’il est responsable de la charge et de la décharge des batteries, de la conversion de leur courant continu (DC) en courant alternatif (AC) utilisé par le réseau et de la synchronisation AC avec la fréquence de celui-ci.

Le PCS utilise des IGBT de haute puissance capables de commuter à haute vitesse et de délivrer leur pleine puissance dans les deux sens en quelques millisecondes. Pour l’inversion DC à AC, cette technologie de commutation modulée en largeur d’impulsion (PWM) comprend la synchronisation automatique avec la fréquence du réseau électrique AC et les passages à zéro. Le système peut assurer l’arrêt et la déconnexion automatisés et séquencés dans des situations de panne de courant, ou peut être configuré pour fonctionner en mode îlotage, fournissant une puissance de secours sur un micro réseau isolé..

D’autres éléments du PCS comprennent des dispositifs qui surveillent les conditions de fonctionnement, détectent la qualité de l’alimentation et fournissent une protection en cas de surcharge thermique ou électrique.

En raison des environnements d’exploitation typiquement difficiles dans lesquels l’infrastructure d’énergie renouvelable est habituellement située, la conception physique du BESS est importante à considérer. La capacité à fonctionner de manière fiable sur de longues périodes tout en étant exposé aux intempéries est la clé. Une bonne gestion thermique est également essentielle pour protéger les onduleurs, les batteries et les composants auxiliaires. La conception des systèmes de refroidissement dans les onduleurs compte traditionnellement sur le refroidissement par air ou le refroidissement liquide eau-glycol. Aucune de ces solutions n’est idéale. Un refroidissement par air possède un faible rendement d’échange de chaleur et consomme des quantités importantes d’énergie. L’eau-glycol réfrigérée nécessite un volume substantiel de liquide à pomper à travers le système, qui à la fois utilise de l’espace et de la puissance. Il peut également soulever des inquiétudes quant à la corrosion et autres questions de maintenance.

Une alternative intéressante est le refroidissement par évaporation en boucle fermée. Dans ce système, un fluide frigorigène comme le R134a est mis en circulation à haute pression à travers les composants thermiquement critiques à l’intérieur du PCS. Lorsque la chaleur des composants se transfère vers le réfrigérant, il s’évapore partiellement, la vapeur résultante est alors envoyée à un condenseur. La vapeur se condense ensuite sous forme liquide et retourne au réservoir de retenue, où il est à nouveau pompé et mis en circulation à travers les composants. Le fait de tirer parti de la chaleur de vaporisation dans un système à deux phases s’est avéré très efficace car il nécessite un débit de liquide beaucoup plus faible que dans un système eau / glycol, et donc des pompes plus petites de plus faible puissance.

En plus de simplement charger et décharger des batteries, beaucoup de systèmes fournissent un avantage supplémentaire important la capacité de fournir la puissance réelle et réactive. Cette capacité permet au BESS de supporter véritablement le réseau et de tolérer les défauts. Le firmware et la programmabilité du PCS permettent une grande flexibilité de contrôle et un fonctionnement autonome. Si le PCS contient les algorithmes pour une gestion de l’énergie active et réactive, il peut éliminer ou réduire la responsabilité de la gestion externe du site pour la société de services, apportant de nombreux avantages techniques, logistiques et de coûts.

http://www.parker.com/

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