Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) stocke de l'énergie électrique dans des batteries et la restitue plus tard lorsqu'un logement, une entreprise ou un système électrique en a besoin. Les cellules ne constituent qu'une partie du système. Un BESS fonctionnel nécessite aussi des équipements pour surveiller la batterie, convertir la puissance, contrôler la charge et la décharge, gérer la température, isoler les défauts et assurer un raccordement sûr à l'installation électrique.
Cette définition à l'échelle du système est importante. Une armoire remplie de cellules peut contenir de l'énergie, mais elle ne peut pas décider seule quand charger, convertir du courant continu en courant alternatif utilisable ou se coordonner avec un bâtiment ou un réseau.
Ce qui compose un BESS
La batterie est généralement organisée en cellules, modules et ensembles plus grands : packs, racks ou armoires. La hiérarchie précise varie selon le produit et le projet, mais son objectif reste le même : réunir de nombreuses cellules électrochimiques en un bloc de stockage utilisable, tout en assurant la surveillance, les connexions électriques, le contrôle thermique et la maintenance.
Un système de gestion de batterie (BMS) agit au plus près de la batterie. Il mesure notamment la tension et la température des cellules, estime des états tels que l'état de charge, équilibre les cellules lorsque la conception le permet, communique l'état de la batterie et applique des limites de protection. Le BMS ne décide pas de la finalité économique du système. Sa responsabilité centrale est de maintenir le fonctionnement de la batterie dans les limites définies pour cette batterie et cette architecture.
Un système de conversion de puissance (PCS) contrôle la conversion électrique entre le côté courant continu de la batterie et le côté courant alternatif utilisé par la plupart des bâtiments et réseaux électriques. Pendant la charge, il convertit et contrôle la puissance qui circule vers la batterie. Pendant la décharge, il transforme l'énergie stockée en courant continu en une sortie alternative contrôlée. Selon l'architecture, les appareillages, relais et fonctions d'isolement associés peuvent se trouver dans le PCS ou autour de celui-ci.
Le système de gestion de l'énergie (EMS) coordonne l'exploitation à un niveau supérieur. Il peut planifier la charge et la décharge selon la production solaire, les prix de l'électricité, le profil de charge d'un site, une réserve de secours ou les instructions d'un autre système de contrôle. L'EMS peut demander un point de fonctionnement, mais cette demande doit rester dans les limites actives de la batterie, du convertisseur et du site.
Une installation complète comprend aussi les équipements périphériques du système. Pacific Northwest National Laboratory décrit un système de stockage comme le bloc de stockage accompagné des équipements de support, des équipements de puissance, des commandes et communications, ainsi que de l'intégration du système. Selon le projet, cela peut comprendre le câblage, les appareillages électriques, les transformateurs, le comptage, le chauffage, la ventilation et la climatisation (HVAC), la protection incendie et un point de raccordement.
Comment un BESS se charge-t-il et se décharge-t-il ?
La charge commence lorsque de la puissance électrique est disponible depuis une source autorisée, par exemple le réseau ou une installation photovoltaïque. Le PCS contrôle la conversion et le flux de puissance vers la batterie. Le BMS surveille les conditions de la batterie et communique ou impose les limites applicables à cet instant. L'énergie est stockée par des réactions électrochimiques réversibles dans les cellules.
Lorsque le système se décharge, le processus s'inverse. La batterie libère de l'énergie électrique en courant continu, et le PCS la convertit dans la forme nécessaire au système alternatif connecté. L'EMS ou un autre contrôleur détermine quand la décharge est utile, tandis que les protections continuent à vérifier si le fonctionnement demandé reste autorisé.
Le processus n'est pas parfaitement efficace. De l'énergie est perdue dans les cellules, l'électronique de puissance, le câblage et les auxiliaires tels que la gestion thermique. C'est pourquoi l'énergie mesurée à l'entrée d'un BESS est supérieure à celle qu'il restitue ensuite sur le même cycle d'exploitation.
La boucle de contrôle reste également active pendant le fonctionnement. Une demande de décharge réalisable à un instant peut devoir être réduite si la température de la batterie, son état de charge, les capacités du convertisseur ou une contrainte du site changent. La puissance finale résulte donc d'une demande d'exploitation limitée par ce que la batterie, le PCS et le système connecté peuvent supporter.
Pour approfondir cette relation de contrôle, consultez Comment PCS, BMS et EMS fonctionnent ensemble dans un BESS.
Puissance, énergie et durée sont des caractéristiques différentes
Les systèmes de batteries sont généralement décrits à la fois par une puissance et par une quantité d'énergie.
- La puissance, mesurée en kilowatts ou en mégawatts, indique la vitesse à laquelle le système peut charger ou décharger à un instant donné.
- L'énergie, mesurée en kilowattheures ou en mégawattheures, indique la quantité d'énergie que le système peut stocker ou fournir dans le temps, sous réserve du périmètre de mesure et des limites de fonctionnement indiqués.
Une durée simplifiée peut être estimée en divisant l'énergie utilisable par la puissance de sortie. Un système disposant de 200 kWh d'énergie utilisable et alimentant une charge constante de 50 kW a une durée idéalisée de quatre heures. L'exploitation réelle peut différer, car la consommation auxiliaire, les pertes de conversion, les réglages de réserve, les variations de charge et les limites de fonctionnement réduisent ou modifient ce qui est disponible au point d'utilisation.
Cette distinction explique pourquoi une quantité d'énergie plus élevée ne rend pas automatiquement un BESS plus performant pour toutes les applications. Un système conçu pour alimenter une forte charge pendant une courte période nécessite un équilibre puissance-énergie différent de celui d'un système destiné à une charge plus faible pendant de nombreuses heures.
Que peut faire un BESS ?
Un BESS peut déplacer l'énergie dans le temps. Sur un site solaire, il peut charger lorsque la production dépasse la demande immédiate et décharger plus tard, lorsque la production solaire a baissé. Sur un site commercial, il peut réduire les pics brefs de demande ou se coordonner avec la production sur place. Dans une installation conçue pour l'alimentation de secours, il peut alimenter certaines charges pendant une coupure.
Ces applications ne découlent pas automatiquement de la capacité de la batterie. Chacune dépend de la conception électrique environnante, des commandes et de l'accord d'exploitation. L'alimentation de secours exige par exemple un système capable de se déconnecter correctement du réseau, d'établir une source électrique locale adaptée ou de se synchroniser sur celle-ci, et d'alimenter les charges sélectionnées. Une batterie chargée au début d'une coupure n'est pas nécessairement configurée pour alimenter ces charges.
Un BESS ne produit pas d’énergie. Il modifie le moment où l'énergie préalablement fournie est disponible, et chaque cycle de charge-décharge entraîne des pertes. Un composant ne garantit pas non plus la performance de l'ensemble. Une batterie performante ne peut compenser un PCS sous-dimensionné, une interface de contrôle incompatible ou une conception inadaptée à la charge et à l'objectif d'exploitation du site.
La meilleure manière de comprendre un BESS est donc de le considérer comme un système électrique coordonné. La batterie stocke l'énergie, le BMS surveille la batterie, le PCS contrôle la conversion de puissance, l'EMS coordonne l'objectif d'exploitation et les équipements périphériques relient ces fonctions à un site réel. La valeur du système dépend de la qualité de conception de ces éléments pour accomplir la tâche requise.
