Comment stocker l'électricité hors réseau ?

Au cours des 50 dernières années, la consommation mondiale d'électricité n'a cessé d'augmenter, atteignant environ 25 300 térawattheures en 2021. La transition vers l'industrie 4.0 entraîne une hausse des besoins énergétiques à l'échelle mondiale. Ces chiffres augmentent chaque année, sans compter les besoins en énergie des secteurs industriels et autres secteurs économiques. Cette mutation industrielle et cette forte consommation d'énergie s'accompagnent d'effets climatiques de plus en plus tangibles, dus aux émissions excessives de gaz à effet de serre. Actuellement, la plupart des centrales électriques dépendent fortement des énergies fossiles (pétrole et gaz) pour répondre à ces besoins. Ces préoccupations climatiques empêchent toute production d'énergie supplémentaire par des méthodes conventionnelles. Par conséquent, le développement de systèmes de stockage d'énergie efficaces et fiables est devenu essentiel pour garantir un approvisionnement continu et fiable en énergie renouvelable.

Le secteur de l'énergie a réagi en se tournant vers les énergies renouvelables, ou solutions « vertes ». Cette transition a été facilitée par l'amélioration des techniques de fabrication, permettant par exemple une production plus efficace des pales d'éoliennes. De plus, les chercheurs ont réussi à améliorer le rendement des cellules photovoltaïques, ce qui a permis d'accroître la production d'énergie par unité de surface. En 2021, la production d'électricité d'origine solaire photovoltaïque a connu une forte croissance, atteignant un record de 179 TWh, soit une augmentation de 22 % par rapport à 2020. La technologie solaire photovoltaïque représente désormais 3,6 % de la production mondiale d'électricité et constitue actuellement la troisième source d'énergie renouvelable après l'hydroélectricité et l'éolien.

Cependant, ces avancées ne résolvent pas certains inconvénients inhérents aux systèmes d'énergies renouvelables, notamment leur disponibilité. La plupart de ces méthodes ne produisent pas d'énergie à la demande comme les centrales au charbon et au pétrole. L'énergie solaire, par exemple, est disponible tout au long de la journée, avec des variations selon l'angle d'incidence du soleil et l'orientation des panneaux photovoltaïques. Elle ne produit aucune énergie la nuit, et sa production est considérablement réduite en hiver et par temps très nuageux. L'énergie éolienne souffre également de fluctuations liées à la vitesse du vent. Par conséquent, ces solutions doivent être associées à des systèmes de stockage d'énergie afin de garantir l'approvisionnement énergétique lors des périodes de faible production.

Que sont les systèmes de stockage d'énergie ?

Les systèmes de stockage d'énergie permettent d'emmagasiner de l'énergie en vue d'une utilisation ultérieure. Dans certains cas, une conversion d'énergie a lieu 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 au plomb. Elles produisent de l'énergie électrique grâce à des réactions chimiques entre les électrodes et l'électrolyte.

Les batteries, ou systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), constituent la méthode de stockage d'énergie la plus courante dans les applications quotidiennes. D'autres systèmes existent, comme les centrales hydroélectriques qui convertissent l'énergie potentielle de l'eau stockée dans un barrage en énergie électrique. L'eau qui tombe actionne le volant d'une turbine, produisant ainsi de l'électricité. Autre exemple : le gaz comprimé. Lorsqu'il est libéré, le gaz actionne la roue d'une turbine et produit de l'électricité.

Ce qui distingue les batteries des autres méthodes de stockage, c'est leur large champ d'application. Des petits appareils et alimentations automobiles aux applications domestiques et aux grandes centrales solaires, les batteries s'intègrent facilement à toute application de stockage hors réseau. En revanche, les systèmes hydroélectriques et à air comprimé nécessitent des infrastructures de stockage très vastes et complexes. Il en résulte des coûts très élevés, justifiant leur utilisation par des applications de grande envergure.

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 énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne. Néanmoins, d'autres applications peuvent grandement bénéficier de tels systèmes.

Les réseaux électriques urbains visent à fournir la quantité d'énergie adéquate en fonction de l'offre et de la demande de chaque ville. La consommation d'énergie peut fluctuer tout au long de la journée. Les systèmes de stockage hors réseau sont utilisés pour atténuer ces fluctuations et assurer une plus grande stabilité lors des pics de consommation. Par ailleurs, ces systèmes peuvent s'avérer très utiles pour compenser toute panne technique imprévue sur le réseau principal ou lors des opérations de maintenance planifiées. Ils permettent de répondre aux besoins en énergie sans avoir à recourir à des sources d'énergie alternatives. On peut citer, par exemple, la tempête de verglas qui a frappé le Texas début février 2023 et qui a privé d'électricité environ 262 000 personnes, les réparations ayant été retardées par les conditions météorologiques difficiles.

Les véhicules électriques constituent une autre application. Les chercheurs ont déployé des efforts considérables pour optimiser la fabrication des batteries et les stratégies de charge/décharge afin d'accroître leur durée de vie et leur densité énergétique. Les batteries lithium-ion ont été à l'avant-garde de cette révolution et sont largement utilisées dans les nouvelles voitures électriques, mais aussi dans les bus électriques. Dans ce cas, des batteries plus performantes permettent d'augmenter l'autonomie et de réduire les temps de charge grâce aux technologies appropriées.

D'autres avancées technologiques, comme les drones et les robots mobiles, ont grandement bénéficié du développement des batteries. Leurs stratégies de mouvement et de contrôle dépendent fortement de la capacité et de la puissance fournies par la batterie.

Qu'est-ce qu'une BESS ?

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) est un système permettant de stocker de l'énergie. Cette énergie peut provenir du réseau électrique principal ou de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire. Il est composé de plusieurs batteries agencées selon différentes configurations (série/parallèle) et dimensionnées en fonction des besoins. Elles sont connectées à un onduleur qui convertit le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) pour l'utilisation.système de gestion de batterie (BMS)Il sert à surveiller l'état de la batterie et les opérations de charge/décharge.

Comparés à d'autres systèmes de stockage d'énergie, ils sont particulièrement flexibles à installer et à connecter et ne nécessitent pas d'infrastructure très coûteuse, mais ils représentent tout de même un coût considérable et nécessitent un entretien plus régulier en fonction de leur utilisation.

Dimensionnement et habitudes d'utilisation des systèmes BESS

Un point crucial à prendre en compte lors de l'installation d'un système de stockage d'énergie par batterie est le dimensionnement. Combien de batteries sont nécessaires ? Dans quelle configuration ? Dans certains cas, le type de batterie peut jouer un rôle déterminant 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 usines industrielles.

Pour les petits ménages, notamment en milieu urbain, la source d'énergie renouvelable la plus courante est l'énergie solaire photovoltaïque. L'ingénieur prend généralement en compte la consommation électrique moyenne du ménage et évalue l'ensoleillement annuel pour le lieu concerné. Le nombre de batteries et leur configuration sur le réseau sont dimensionnés pour répondre aux besoins du ménage pendant la période de plus faible production solaire, sans pour autant décharger complètement les batteries. Cette solution vise une autonomie énergétique totale vis-à-vis du réseau électrique principal.

Maintenir un niveau de charge relativement modéré ou ne pas décharger complètement les batteries peut sembler contre-intuitif au premier abord. Après tout, à quoi bon utiliser un système de stockage si l'on ne peut pas exploiter 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 des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) est le coût relativement élevé des batteries. Il est donc essentiel d'adopter des habitudes d'utilisation et une stratégie de charge/décharge qui optimisent leur durée de vie. Par exemple, les batteries au plomb ne peuvent être déchargées en dessous de 50 % de leur capacité sans subir de dommages irréversibles. Les batteries lithium-ion offrent une densité énergétique supérieure et une longue durée de vie. Elles peuvent également être déchargées sur une plus grande distance, mais cela a un coût plus élevé. Le coût varie considérablement selon la technologie utilisée : les batteries au plomb peuvent coûter des centaines, voire des milliers de dollars de moins qu'une batterie lithium-ion de même capacité. C'est pourquoi les batteries au plomb sont les plus utilisées dans les applications solaires des pays en développement et des communautés défavorisées.

Les performances d'une batterie sont fortement affectées par la dégradation au cours de sa durée de vie ; il ne s'agit pas d'une performance stable suivie d'une panne soudaine. Au contraire, la capacité et l'énergie fournie diminuent progressivement. En pratique, on considère qu'une batterie est en fin de vie lorsque sa capacité atteint 80 % de sa capacité initiale, soit une perte de 20 %. Concrètement, cela signifie une quantité d'énergie réduite, ce qui peut impacter l'autonomie des systèmes entièrement autonomes et l'autonomie d'un véhicule électrique.

Un autre point important à considérer est la sécurité. Grâce aux progrès réalisés en matière de fabrication et de technologie, les batteries récentes sont généralement plus stables chimiquement. Cependant, en raison de la dégradation et d'une utilisation abusive, les cellules peuvent subir un emballement thermique, ce qui peut avoir des conséquences 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 des batteries mais aussi surveiller leur état de santé afin d’assurer une maintenance en temps opportun et d’éviter des conséquences aggravantes.

Conclusion

Les systèmes de stockage d'énergie sur réseau offrent une excellente opportunité d'atteindre l'indépendance énergétique vis-à-vis du réseau principal, tout en fournissant une source d'énergie de secours lors des coupures de courant et des pics de consommation. Leur développement faciliterait la transition vers des sources d'énergie plus propres, limitant ainsi l'impact de la production d'énergie sur le changement climatique, tout en répondant aux besoins énergétiques face à une consommation en constante augmentation.

Les systèmes de stockage d'énergie par batteries sont les plus répandus et les plus faciles à configurer pour diverses applications quotidiennes. Leur grande flexibilité est contrebalancée par un coût relativement élevé, ce qui a conduit au développement de stratégies de surveillance visant à prolonger au maximum leur durée de vie. Actuellement, l'industrie et le monde universitaire déploient d'importants efforts pour étudier et comprendre la dégradation des batteries dans différentes conditions.