Au cours des 50 dernières années, la consommation mondiale d’électricité a augmenté continuellement, avec une consommation estimée à environ 25 300 térawattheures en 2021. Avec la transition vers l’industrie 4.0, la demande énergétique augmente dans le monde entier. Ces chiffres augmentent chaque année, sans compter les besoins en énergie des secteurs industriels et autres secteurs économiques. Ce virage industriel et cette consommation élevée d’énergie s’accompagnent d’effets plus tangibles sur le changement climatique dus aux émissions excessives de gaz à effet de serre. Actuellement, la plupart des centrales et installations de production d’électricité dépendent fortement de sources de combustibles fossiles (pétrole et gaz) pour répondre à ces demandes. Ces préoccupations climatiques interdisent la production supplémentaire d’énergie à l’aide de méthodes conventionnelles. Ainsi, le développement de systèmes de stockage d’énergie efficaces et fiables est devenu de plus en plus important pour garantir un approvisionnement continu et fiable en énergie provenant de sources renouvelables.
Le secteur de l’énergie a réagi en s’orientant vers les énergies renouvelables ou les solutions « vertes ». La transition a été facilitée par l’amélioration des techniques de fabrication, conduisant par exemple à une fabrication plus efficace des pales d’éoliennes. En outre, les chercheurs ont pu améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques, conduisant ainsi à une meilleure production d’énergie par zone d’utilisation. En 2021, la production d'électricité à partir de sources solaires photovoltaïques (PV) a considérablement augmenté, atteignant un record de 179 TWh et représentant une croissance de 22 % par rapport à 2020. La technologie solaire photovoltaïque représente désormais 3,6 % de la production mondiale d'électricité et est actuellement la troisième plus grande technologie renouvelable. source d’énergie après l’hydroélectricité et l’éolien.
Cependant, ces avancées ne résolvent pas certains des inconvénients inhérents aux systèmes d’énergies renouvelables, principalement la disponibilité. La plupart de ces méthodes ne produisent pas d’énergie à la demande comme les centrales électriques au charbon et au pétrole. Les productions d'énergie solaire sont par exemple disponibles tout au long de la journée avec des variations en fonction des angles d'irradiation solaire et du positionnement des panneaux photovoltaïques. Il ne peut produire aucune énergie pendant la nuit alors que sa production est considérablement réduite en hiver et par temps très nuageux. L'énergie éolienne souffre également de fluctuations en fonction de la vitesse du vent. Par conséquent, ces solutions doivent être associées à des systèmes de stockage d’énergie afin de maintenir l’approvisionnement en énergie pendant les périodes de faible production.
Que sont les systèmes de stockage d’énergie ?
Les systèmes de stockage d’énergie peuvent stocker de l’énergie afin de l’utiliser ultérieurement. Dans certains cas, il y aura une forme de conversion d’énergie entre l’énergie stockée et l’énergie fournie. L’exemple le plus courant est celui des batteries électriques telles que les batteries lithium-ion ou les batteries plomb-acide. Ils fournissent de l'énergie électrique grâce à des réactions chimiques entre les électrodes et l'électrolyte.
Les batteries, ou BESS (Battery Energy Storage System), représentent la méthode de stockage d'énergie la plus couramment utilisée dans les applications de la vie quotidienne. D'autres systèmes de stockage existent comme les centrales hydroélectriques qui convertissent l'énergie potentielle de l'eau stockée dans un barrage en énergie électrique. L'eau qui tombe fera tourner le volant d'une turbine qui produit de l'énergie électrique. Un autre exemple est le gaz comprimé. Une fois libéré, le gaz fera tourner la roue de la turbine produisant de l'énergie.
Ce qui différencie les batteries des autres méthodes de stockage, ce sont leurs domaines d’utilisation potentiels. Des petits appareils et alimentations automobiles aux applications domestiques et grands parcs solaires, les batteries peuvent être intégrées de manière transparente à toute application de stockage hors réseau. En revanche, les méthodes hydroélectriques et à air comprimé nécessitent des infrastructures de stockage très vastes et complexes. Cela entraîne des coûts très élevés qui nécessitent des applications très volumineuses pour être justifiés.
Cas d'utilisation des systèmes de stockage hors réseau.
Comme mentionné précédemment, les systèmes de stockage hors réseau peuvent faciliter l’utilisation et le recours aux méthodes d’énergie renouvelable telles que l’énergie solaire et éolienne. Néanmoins, il existe d'autres applications qui peuvent grandement bénéficier de tels systèmes.
Les réseaux électriques urbains visent à fournir la bonne quantité d’électricité en fonction de l’offre et de la demande de chaque ville. La puissance requise peut fluctuer au cours de la journée. Des systèmes de stockage hors réseau ont été utilisés pour atténuer les fluctuations et offrir plus de stabilité en cas de demande de pointe. D'un autre point de vue, les systèmes de stockage hors réseau peuvent être très utiles pour compenser tout défaut technique imprévu sur le réseau électrique principal ou pendant les périodes de maintenance programmées. Ils peuvent répondre aux besoins en énergie sans avoir à rechercher des sources d’énergie alternatives. On peut citer par exemple la tempête de verglas au Texas début février 2023 qui a laissé environ 262 000 personnes sans électricité, tandis que les réparations ont été retardées en raison des conditions météorologiques difficiles.
Les véhicules électriques sont une autre application. Les chercheurs ont déployé beaucoup d’efforts pour optimiser la fabrication des batteries et les stratégies de charge/décharge afin de prolonger la durée de vie et la densité de puissance des batteries. Les batteries lithium-ion ont été à l’avant-garde de cette petite révolution et ont été largement utilisées dans les nouvelles voitures électriques mais aussi dans les bus électriques. Dans ce cas, de meilleures batteries peuvent conduire à un kilométrage plus important mais également à des temps de charge réduits avec les bonnes technologies.
D’autres avancées technologiques, comme les drones et les robots mobiles, ont grandement bénéficié du développement des batteries. Les stratégies de mouvement et les stratégies de contrôle dépendent fortement de la capacité de la batterie et de la puissance fournie.
Qu'est-ce qu'un BESS
BESS ou système de stockage d’énergie par batterie est un système de stockage d’énergie qui peut être utilisé pour stocker de l’énergie. Cette énergie peut provenir du réseau principal ou de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire. Il est composé de plusieurs batteries disposées dans différentes configurations (série/parallèle) et dimensionnées en fonction des besoins. Ils sont connectés à un onduleur qui est utilisé pour convertir le courant continu en courant alternatif pour son utilisation. Un système de gestion de batterie (BMS) est utilisé pour surveiller l’état de la batterie et l’opération de charge/décharge.
Par rapport à d’autres systèmes de stockage d’énergie, ils sont particulièrement flexibles à placer/connecter et ne nécessitent pas une infrastructure très coûteuse, mais ils ont néanmoins un coût considérable et nécessitent une maintenance plus régulière en fonction de l’utilisation.
Dimensionnement et habitudes d'utilisation du BESS
Un point crucial à aborder lors de l’installation d’un système de stockage d’énergie par batterie est le dimensionnement. Combien de piles sont nécessaires ? Dans quelle configuration ? Dans certains cas, le type de batterie peut jouer un rôle crucial à long terme en termes d’économies et d’efficacité.
Cela se fait au cas par cas, car les applications peuvent aller des petits ménages aux grandes installations industrielles.
La source d’énergie renouvelable la plus courante pour les petits ménages, en particulier dans les zones urbaines, est l’énergie solaire utilisant des panneaux photovoltaïques. L'ingénieur prendrait en général compte de la consommation électrique moyenne du ménage et évaluerait l'irradiation solaire tout au long de l'année pour un emplacement spécifique. Le nombre de batteries et leur configuration de réseau sont choisis pour répondre aux demandes des ménages pendant la plus faible alimentation solaire de l'année, sans pour autant vider complètement les batteries. Cela suppose une solution permettant d’avoir une totale indépendance énergétique par rapport au réseau principal.
Maintenir un état de charge relativement modéré ou ne pas décharger complètement les batteries est quelque chose qui peut paraître contre-intuitif au début. Après tout, pourquoi utiliser un système de stockage si nous ne pouvons pas en extraire tout son potentiel ? En théorie, c’est possible, mais ce n’est peut-être pas la stratégie qui maximise le retour sur investissement.
L’un des principaux inconvénients du BESS est le coût relativement élevé des batteries. Il est donc essentiel de choisir une habitude d’utilisation ou une stratégie de charge/décharge qui maximise la durée de vie de la batterie. Par exemple, les batteries au plomb ne peuvent pas être déchargées en dessous de 50 % de leur capacité sans subir de dommages irréversibles. Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée et une longue durée de vie. Ils peuvent également être déchargés en utilisant des portées plus grandes, mais cela a un prix plus élevé. Il existe une grande variation de coût entre les différents produits chimiques, les batteries au plomb peuvent coûter des centaines, voire des milliers de dollars moins cher qu'une batterie lithium-ion de même taille. C'est pourquoi les batteries au plomb sont les plus utilisées dans les applications solaires dans les pays du tiers monde et les communautés pauvres.
Les performances de la batterie sont fortement affectées par la dégradation au cours de sa durée de vie, elle n'a pas des performances stables qui se terminent par une panne soudaine. Au lieu de cela, la capacité et l’offre peuvent s’estomper progressivement. En pratique, la durée de vie d’une batterie est considérée comme épuisée lorsque sa capacité atteint 80 % de sa capacité d’origine. En d’autres termes, lorsqu’il subit une perte de capacité de 20 %. En pratique, cela signifie qu’une quantité moindre d’énergie peut être fournie. Cela peut affecter les périodes d’utilisation des systèmes entièrement indépendants et le kilométrage qu’un véhicule électrique peut parcourir.
Un autre point à considérer est la sécurité. Grâce aux progrès de la fabrication et de la technologie, les batteries récentes sont généralement plus stables chimiquement. Cependant, en raison de la dégradation et des abus, les cellules peuvent subir un emballement thermique, ce qui peut conduire à des résultats catastrophiques et, dans certains cas, mettre la vie des consommateurs en danger.
C'est pourquoi les entreprises ont développé de meilleurs logiciels de surveillance des batteries (BMS) pour contrôler l'utilisation de la batterie mais également surveiller l'état de santé afin de fournir une maintenance en temps opportun et d'éviter des conséquences aggravées.
Conclusion
Les systèmes de stockage d'énergie sur réseau offrent une excellente opportunité d'atteindre l'indépendance énergétique du réseau principal, mais fournissent également une source d'énergie de secours pendant les temps d'arrêt et les périodes de charge de pointe. Ce développement faciliterait la transition vers des sources d'énergie plus vertes, limitant ainsi l'impact de la production d'énergie sur le changement climatique tout en répondant aux besoins énergétiques avec une croissance constante de la consommation.
Les systèmes de stockage d’énergie par batterie sont les plus couramment utilisés et les plus faciles à configurer pour différentes applications quotidiennes. Leur grande flexibilité est compensée par un coût relativement élevé, ce qui conduit au développement de stratégies de surveillance visant à prolonger autant que possible la durée de vie respective. Actuellement, l’industrie et le monde universitaire déploient beaucoup d’efforts pour étudier et comprendre la dégradation des batteries dans différentes conditions.
