Qu’est-ce qu’un Système de Stockage d’Énergie par Batterie ?

Les Systèmes de Stockage d’Énergie par Batterie ou BESS en abrégé, sont une technologie et un concept utilisés pour stocker l’énergie électrochimique dans des batteries rechargeables (batteries secondaires) et des cellules pour une utilisation ultérieure. Que ce soit pour des petites batteries boutons à cellule unique ou pour des applications de stockage d’énergie à grande échelle où les batteries sont assemblées en batteries empilées et en modules.

L’énergie électrique est maintenant une partie importante de notre vie quotidienne, et notre utilisation d’appareils électroniques portables à tout moment signifie que nous ne pourrions pas nous en passer, nos besoins énergétiques étant satisfaits par des batteries.

Actuellement, les batteries lithium-ion et batteries lithium-polymère sont les principales technologies utilisées pour les systèmes de stockage d’énergie par batterie, car elles sont capables de stocker plus de wattheures d’énergie par kilogramme (kg) de poids. Par exemple : 600 milliampères-heures par gramme (600 mAhr/g) de poids, comparé à d’autres types de batteries de stockage secondaire.

Au cours des dernières décennies, la régularité des événements météorologiques extrêmes a augmenté, ce qui a entraîné un intérêt croissant pour des technologies d’énergie renouvelable plus durables, telles que l’énergie solaire, marémotrice et éolienne. Mais l’avenir de la croissance énergétique mondiale doit être assorti de la quantité de stockage d’énergie solaire disponible permettant de générer et de stocker de l’électricité durant les périodes de faible demande ou de forte production d’énergie renouvelable.

Système de Stockage d’Énergie par Batterie

Un des plus grands défis de l’électricité produite par des systèmes d’énergie renouvelable est sa nature imprévisible. Contrairement aux centrales électriques alimentées par des combustibles fossiles, qui génèrent de l’électricité 24/7.

Les systèmes d’énergie renouvelable, en revanche, varient leur production d’énergie au cours de la journée selon les conditions météorologiques locales. Par exemple, cela pourrait être une production nulle lorsque le soleil ne brille pas ou le vent ne souffle pas.

En général, nos maisons, bureaux, magasins et bâtiments ont tous besoin d’un approvisionnement en électricité à tout moment pour maintenir nos réfrigérateurs en marche ou les lumières allumées, même à trois heures du matin. C’est là que les systèmes de stockage d’énergie par batterie, en particulier les batteries rechargeables à cycle profond, interviennent en lissant le désalignement entre la production d’énergie variable et un approvisionnement électrique constant.

Les systèmes de stockage d’énergie peuvent être classés comme des dispositifs électrochimiques, chimiques, mécaniques ou thermiques, selon la technologie de stockage utilisée. Ces différents systèmes de stockage d’énergie accumulent l’électricité excédentaire pendant les périodes de production maximale et la libèrent en période de forte demande, maintenant ainsi la continuité de l’approvisionnement électrique.

Capacité de la Batterie

La capacité énergétique, ou la cote d’une batterie est généralement exprimée en Ampère-heure (Ah). Ainsi, si une batterie doit fournir 3 Ampères continuellement pendant 5 jours (120 heures), elle doit avoir une cote de :

Ah = I x hr = 3 x 5 x 24 = 360 Ah

De même, si un système de stockage de batterie est noté à 18 kAh. Combien de temps peut-il fournir continuellement un courant de charge de 7,5 Ampères.

Temps = Ah/I = 18000/7.5 = 2400 Heures ou 2400/24 = 100 jours

Les batteries comme dispositifs de stockage d’énergie sont spécialement conçues pour les cycles de charge-décharge répétés ainsi qu’une grande profondeur de décharge. Cela les rend particulièrement adaptées aux applications d’énergie renouvelable nécessitant un stockage d’énergie quotidien.

Mais en combinant les systèmes d’énergie renouvelable avec des solutions de stockage d’énergie intelligentes, nous nous rapprochons de rendre l’énergie propre non seulement respectueuse de l’environnement, mais également disponible de manière fiable chaque fois que nous en avons besoin.

Composants des Systèmes de Stockage d’Énergie par Batterie

L’élément fondamental de tout système de stockage d’énergie chimique est la Batterie en raison principalement de leur densité énergétique, de l’efficacité de charge et de décharge. Une batterie est essentiellement un ensemble autonome d’énergie composé d’un certain nombre de cellules connectées en série qui convertissent l’énergie chimique en énergie électrique.

Le terme “batterie” définit un dispositif comprenant deux électrodes et une forme de solution électrolyte positionnée ensemble dans un container scellé permettant la connexion d’une charge externe. Les deux électrodes, l’une appelée Anode (marquée d’un + signe) et l’autre appelée Cathode (marquée d’un –) sont immergées dans un électrolyte.

La solution électrolytique, qui peut être soit liquide soit en gel, se trouve entre les deux électrodes et crée un environnement où de minuscules particules d’électricité (électrons) peuvent circuler de manière contrôlée vers un circuit connecté externement.

Lorsque quelque chose est connecté à une batterie nécessitant de l’énergie, comme une lampe de poche, un chemin fermé est créé pour que les électrons circulent. Ils commencent leur voyage en quittant l’anode, parcourent votre appareil (fournissant de l’énergie en cours de route), et finissent par revenir à la cathode.

L’électrolyte joue un rôle crucial en permettant à tout ce processus de se produire de manière contrôlée et durable. Ensuite, le flux continu d’électrons est ce que nous appelons un courant électrique, et c’est ce qui fait fonctionner nos appareils alimentés par batterie.

Alors que les batteries fournissent une source constante d’énergie électrique à un montant fixe, la connexion de batteries ensemble nous permet de créer des tensions ou des cotes en ampères-heures beaucoup plus élevées pour toute application requise.

Par exemple, connecter des batteries ensemble en combinaison série (+ à –) ou parallèle (+ à +, – à –), augmentera la tension ou la capacité de courant par rapport à une seule batterie.

Exemple BESS No2

Dix batteries lithium-ion de 3 Volts, 235 mAh sont connectées ensemble en série puis à nouveau en combinaison parallèle. Quelles sont les capacités de stockage énergétique de chaque combinaison.

1. Batteries de stockage connectées en série

V_T = V_CELL x 10 = 3V x 10 = 30 Volts

Ah_T = B1_Ah = B2_Ah = B3_Ah = …etc. = 235 mAh

Ainsi, une connexion en série donnerait : 30 Volts à 235 mAh, ou 7,05 Watt-heures (Ah*V).

2. Batteries de stockage connectées en parallèle

V_T = B1_V = B2_V = B3_V = …etc. = 3 Volts

Ah_T = B_Ah x 10 = 0.235 Ah x 10 = 2.35 Ah

Ainsi, une connexion en parallèle donnerait : 3 Volts à 2.35 Ah, ou 7,05 Watt-heures.

L’évolution du stockage d’énergie par batterie a beaucoup progressé depuis les anciennes batteries au plomb (PbA) utilisées dans les systèmes d’alimentation ininterrompue. Aujourd’hui, les technologies de batterie modernes se concentrent sur le développement de systèmes de stockage de batteries ayant une densité d’énergie, une durabilité et une durabilité environnementale accrues.

Différentes nouvelles technologies émergentes comme les batteries lithium-ion, zinc-air, lithium-soufre et lithium-air font progresser les capacités des systèmes de stockage d’énergie par batterie secondaire. De plus, les avancées dans les matériaux d’électrode, plaques, scellés, membranes et électrolytes améliorent également la technologie des batteries.

Bien que les systèmes de stockage d’énergie ne soient pas eux-mêmes des générateurs d’énergie, ils jouent un rôle crucial aux côtés des sources d’énergie conventionnelles et renouvelables en fournissant de l’énergie de secours et en gérant les pics de demande. Les sources d’énergie renouvelable comme le solaire, l’éolien, l’hydraulique et la biomasse peuvent générer de l’électricité propre, mais sans solutions de stockage efficaces, cette énergie pourrait être perdue.

Les systèmes de stockage d’énergie par batterie à grande échelle, en particulier lorsqu’ils sont associés à des sources d’énergie renouvelable, représentent une solution prometteuse pour répondre aux exigences futures en matière d’énergie. Ces systèmes de batteries électrochimiques peuvent efficacement capturer et stocker l’énergie renouvelable pour une utilisation ultérieure.

Comment Fonctionne un Système de Stockage d’Énergie par Batterie

Pour le stockage d’énergie, les batteries se sont avérées très populaires en raison de leur nature conviviale, de leur coût faible et de leur nécessitée minimale en matière d’entretien découlant de leur manque de pièces mécaniques et mobiles.

La performance électrique des batteries rechargeables (secondaires) est généralement caractérisée par plusieurs facteurs clés, tels que leur efficacité de conversion d’énergie, la profondeur maximale de décharge et le nombre de fois qu’elles peuvent être rechargées (cycle de vie).

Cependant, les principales caractéristiques d’une batterie sont sa capacité de stockage d’énergie par unité de taille, et la rapidité avec laquelle elle perd son énergie stockée (décharge) lorsqu’elle n’est pas utilisée. Par conséquent, les dispositifs de stockage d’énergie par batterie (BES) peuvent être classés en trois catégories principales :

1. Chargement d’Énergie (Entrée d’Énergie)

Lors des périodes de production d’énergie excédentaire, comme lorsque des sources renouvelables comme le solaire ou l’éolien produisent plus d’énergie que nécessaire, le BESS absorbe et stocke l’électricité excédentaire. L’énergie peut également provenir du réseau durant les heures de faible demande, lorsque l’électricité est moins chère. Ainsi, un système de stockage d’énergie fonctionne selon les étapes suivantes :

• L’énergie électrique est générée à partir d’une centrale électrique ou d’une source d’énergie renouvelable.
• Le BESS convertit cette énergie électrique en énergie chimique, la stockant dans l’électrolyte entre les cellules de la batterie.
• Un système de gestion de la batterie (BMS) surveille le processus de charge de la batterie, l’optimisant et évitant la surcharge, la surchauffe ou les dommages aux cellules.

2. Stockage d’Énergie

Une fois l’énergie stockée, elle reste dans la batterie sous forme d’énergie chimique. Un aspect important des batteries est leur tension aux bornes, qui varie selon le courant et l’état de charge. Le type de batterie utilisé (par exemple, lithium-ion, plomb-acide ou batteries à flux) détermine comment l’énergie est stockée et la quantité d’énergie que le BESS peut contenir.

• Les batteries lithium-ion sont les plus courantes en raison de leur densité énergétique élevée, de leur efficacité et de leur longue durée de vie.
• Les batteries à flux, qui utilisent des électrolytes liquides pour stocker l’énergie au moyen d’une réaction chimique réversible, sont généralement mieux adaptées au stockage d’énergie à grande échelle et d’une durée prolongée.
• Les batteries plomb-acide à cycle profond peuvent être une technologie plus ancienne, mais elles sont toujours utilisées dans certaines applications de stockage à petite échelle en raison de leur rentabilité et de leur fiabilité.
• Durant la phase de stockage inutilisé, le BMS continue de surveiller l’état de charge, garantissant que l’énergie est stockée en toute sécurité et prête à être déchargée lorsque nécessaire.

3. Décharge d’Énergie (Sortie d’Énergie)

Lorsqu’il y a une demande externe d’énergie supplémentaire, ou pendant les périodes de consommation de pointe, l’énergie chimique stockée est déchargée des batteries et reconvertie en énergie électrique.

• L’énergie chimique stockée est convertie de nouveau en énergie électrique par une réaction électrochimique au sein de la batterie.
• Le BESS libère de l’électricité dans le réseau ou vers une charge locale (comme un bâtiment, une usine ou un micro-réseau).
• Un onduleur connecté au système convertit le courant continu (DC) de la batterie en courant alternatif (AC), qui est compatible avec le réseau électrique ou les appareils consommables.
• Ce processus assure un approvisionnement continu en électricité même lorsque la production est plus faible ou la demande élevée.

La capacité de décharge d’une batterie est notée en Ampère-heures (Ah). Ainsi, si une batterie délivre un courant de 4A pendant 20 heures, sa cote est de 80 Ah.

Composants Clés d’un Système de Stockage d’Énergie par Batterie

Cellules de Batterie : – La composante centrale d’un BESS où l’énergie est stockée. Elles transforment l’énergie électrique en énergie chimique, et vice versa. Permettant ainsi le stockage d’énergie.

Ondulateur à Onde Sinusoïdale : – Celui-ci convertit l’énergie DC stockée dans les batteries en énergie AC, qui peut être utilisée à la maison par la plupart des appareils électriques.

Système de Gestion de Batterie (BMS) : – Un composant critique qui surveille la santé, la performance et la sécurité des batteries, optimisant les cycles de charge et de décharge.

Système de Gestion de l’Énergie (EMS) : – Un logiciel qui contrôle et gère l’exploitation globale du BESS, y compris le flux d’énergie, la surveillance et l’optimisation.

Système de Gestion Thermique : – Prévient toute surchauffe et défaillance en maintenant une température optimale pour les cellules de la batterie.

Avantages des Systèmes de Stockage d’Énergie par Batterie

L’énergie peut toujours être stockée sous une forme ou une autre. Que ce soit à une échelle géologique dans la nature sous forme de combustibles fossiles, ou à une échelle beaucoup plus large sous forme d’énergie solaire (le soleil). Ces sources d’énergie sont utilisées soit sous forme de puissance mécanique, électrique ou de chaleur selon le besoin humain.

Les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) se basent sur le stockage de l’électricité générée à partir de sources renouvelables telles que le soleil et le vent, offrant un potentiel énorme pour répondre à nos besoins énergétiques futurs.

Les dispositifs de stockage d’énergie chimique, ainsi que les supercondensateurs électrochimiques qui utilisent des liquides ou des solides pour leur électrolyte, sont maintenant parmi les technologies BESS de premier plan aujourd’hui.

Le stockage d’énergie est devenu un problème majeur avec l’augmentation des systèmes d’énergie renouvelable dans le foyer et dans le cadre de la production d’énergie électrique. La capacité de stocker de grandes quantités d’énergie électrique à l’aide d’une batterie à cycle profond permettra aux entreprises de services publics de disposer d’une plus grande flexibilité dans leur opération face à l’augmentation de l’offre et de la demande. Les avantages des systèmes de stockage d’énergie par batterie peuvent être listés comme suit :

• Fiabilité accrue du réseau en stabilisant l’approvisionnement en électricité et en prévenant les pannes.
• Intégration des énergies renouvelables : Permet une meilleure utilisation des sources renouvelables intermittentes comme le vent et le solaire en stockant l’énergie excédentaire.
• Réduction des coûts énergétiques : Les consommateurs peuvent stocker de l’énergie lorsque les prix sont bas et l’utiliser lorsque les prix augmentent.
• Réduction de l’empreinte carbone : Soutient la transition vers des sources d’énergie plus propres en optimisant l’utilisation des énergies renouvelables.
• Énergie de secours : Fournit une énergie d’urgence en cas de panne du réseau.

Résumé du Tutoriel sur les BESS

En résumé, un Système de Stockage d’Énergie par Batterie, ou simplement BESS, est un outil essentiel pour le stockage d’énergie ainsi que pour la modernisation et la stabilisation des réseaux électriques. Surtout dans le contexte de l’utilisation croissante de l’énergie renouvelable utilisant des panneaux solaires, des éoliennes et de l’énergie hydroélectrique.

Depuis l’invention de la batterie au plomb-acide, divers systèmes de stockage d’énergie par batterie rechargeables ont été développés en raison de leur large éventail d’applications. Un système de stockage d’énergie stocke l’électricité excédentaire lorsqu’elle est disponible et la libère en période de forte demande ou de pénurie, améliorant ainsi la fiabilité, l’efficacité et la flexibilité du réseau. La performance des dispositifs de stockage d’énergie peut être définie tant en termes de sortie que de densité énergétique.

Il est clair qu’il y a un coût associé au stockage d’énergie, et dans de nombreux cas, le stockage d’énergie électrique dans des batteries secondaires peut être rentable. De plus, avec le temps, la technologie et la demande s’améliorent, de plus en plus d’applications pour les systèmes de stockage d’énergie par batterie émergeront à mesure que davantage de recherche et développement sera effectué dans ce domaine.