Comment stocker l'électricité hors réseau ?

Au cours des 50 dernières années, la consommation mondiale d'électricité a connu une augmentation continue, estimée à environ 25 300 térawattheures en 2021. Avec la transition vers l'industrie 4.0, la demande énergétique mondiale augmente. Ces chiffres augmentent chaque année, sans compter les besoins en électricité de l'industrie et des autres secteurs économiques. Cette mutation industrielle et cette forte consommation 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 des combustibles fossiles (pétrole et gaz) pour répondre à cette demande. Ces préoccupations climatiques empêchent toute production d'énergie supplémentaire par des méthodes conventionnelles. Le développement de systèmes de stockage d'énergie efficaces et fiables est donc devenu crucial pour garantir un approvisionnement continu et fiable en énergie renouvelable.

Le secteur de l'énergie a réagi en s'orientant vers les énergies renouvelables ou les solutions « vertes ». Cette transition a été facilitée par l'amélioration des techniques de fabrication, notamment par une fabrication plus efficace des pales d'éoliennes. De plus, les chercheurs ont pu améliorer le rendement des cellules photovoltaïques, permettant ainsi une meilleure production d'énergie par zone d'utilisation. En 2021, la production d'électricité d'origine solaire photovoltaïque (PV) a considérablement augmenté, atteignant un record de 179 TWh, soit une croissance 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 des inconvénients inhérents aux systèmes d'énergie renouvelable, notamment leur disponibilité. La plupart de ces méthodes ne produisent pas d'énergie à la demande, contrairement aux centrales au charbon et au pétrole. La production d'énergie solaire est par exemple disponible tout au long de la journée, avec des variations selon l'angle d'ensoleillement et le positionnement des panneaux photovoltaïques. Elle ne peut produire d'énergie la nuit, tandis que sa production est considérablement réduite en hiver et par temps très nuageux. L'énergie éolienne subit également les fluctuations de la vitesse du vent. Par conséquent, ces solutions doivent être couplées à des systèmes de stockage d'énergie afin de maintenir l'approvisionnement énergétique pendant les périodes de faible production.

Que sont les systèmes de stockage d’énergie ?

Les systèmes de stockage d'énergie permettent de stocker de l'énergie en vue d'une utilisation ultérieure. Dans certains cas, il existe une forme de conversion 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. Elles fournissent 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 au quotidien. Il existe d'autres systèmes de stockage, comme les centrales hydroélectriques, qui convertissent l'énergie potentielle de l'eau stockée dans un barrage en énergie électrique. L'eau qui tombe fait tourner le volant d'une turbine produisant de l'électricité. Autre exemple : le gaz comprimé, une fois libéré, fait tourner la roue de la turbine et produit de l'électricité.

Ce qui distingue les batteries des autres méthodes de stockage réside dans leurs domaines d'application potentiels. Des petits appareils et alimentations automobiles aux applications domestiques et aux grands parcs solaires, les batteries s'intègrent parfaitement à toute application de stockage hors réseau. En revanche, les méthodes de stockage utilisant l'hydroélectricité et l'air comprimé nécessitent des infrastructures de stockage très vastes et complexes. Cela entraîne des coûts très élevés qui nécessitent des applications de très grande envergure 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 la dépendance aux énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne. Néanmoins, d'autres applications peuvent grandement bénéficier de ces systèmes.

Les réseaux électriques urbains visent à fournir la quantité d'électricité adéquate en fonction de l'offre et de la demande de chaque ville. La puissance requise peut fluctuer tout au long de la journée. Des systèmes de stockage hors réseau ont été utilisés pour atténuer les fluctuations et assurer une plus grande stabilité en cas de pointe de demande. D'un autre point de vue, les systèmes de stockage hors réseau peuvent s'avérer très utiles pour pallier toute défaillance technique imprévue du réseau électrique principal ou lors des périodes de maintenance programmées. Ils permettent de répondre aux besoins en électricité sans avoir à rechercher de sources d'énergie alternatives. Citons par exemple la tempête de verglas au Texas début février 2023, qui a privé d'électricité environ 262 000 personnes, les réparations ayant été retardées en raison des 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'en prolonger la durée de vie et la densité énergétique. 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 permettre une plus grande autonomie, mais aussi des temps de charge réduits 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 des batteries.

Qu'est-ce qu'un BESS

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

Comparés à d’autres systèmes de stockage d’énergie, ils sont particulièrement flexibles à placer/connecter et ne nécessitent pas d’infrastructure très coûteuse, mais ils ont néanmoins un coût considérable et nécessitent un entretien plus régulier en fonction de l’utilisation.

Dimensionnement et habitudes d'utilisation du 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 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, notamment en zone urbaine, est l'énergie solaire photovoltaïque. L'ingénieur prend généralement en compte la consommation électrique moyenne du ménage et évalue l'irradiation solaire annuelle pour le lieu concerné. Le nombre de batteries et leur configuration réseau sont choisis pour répondre aux besoins du ménage pendant les périodes de faible consommation d'énergie solaire, sans pour autant épuiser complètement les batteries. Ceci suppose une solution offrant une indépendance énergétique totale par rapport au réseau électrique principal.

Maintenir un état de charge relativement modéré ou ne pas décharger complètement les batteries peut paraître paradoxal au premier abord. Après tout, pourquoi utiliser un système de stockage si on ne peut pas en exploiter tout le 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 BESS est le coût relativement élevé des batteries. Il est donc essentiel de choisir une habitude d'utilisation ou une stratégie de charge/décharge maximisant 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 durée de vie plus longue. Elles peuvent également être déchargées sur des distances plus importantes, mais cela a un coût plus élevé. Les coûts varient considérablement selon les compositions 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 en développement et les communautés pauvres.

Les performances d'une batterie sont fortement affectées par la dégradation de sa durée de vie. Elle ne présente pas de performances stables pouvant entraîner une panne soudaine. Au contraire, la capacité fournie peut diminuer progressivement. En pratique, une batterie est considérée comme épuisée lorsque sa capacité atteint 80 % de sa capacité initiale, soit une perte de capacité de 20 %. Concrètement, cela signifie que la quantité d'énergie fournie est réduite. Cela peut affecter la durée d'utilisation des systèmes entièrement indépendants et l'autonomie d'un véhicule électrique.

Un autre point à prendre en compte 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 passés, les cellules peuvent connaître un emballement thermique, ce qui peut entraîner des conséquences catastrophiques et, dans certains cas, mettre la vie des utilisateurs en danger.

C'est pourquoi les entreprises ont développé de meilleurs logiciels de surveillance de batterie (BMS) pour contrôler l'utilisation de la batterie mais aussi surveiller l'état de santé afin d'assurer 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'indépendance énergétique vis-à-vis du réseau principal, mais aussi de fournir une source d'énergie de secours pendant les périodes d'indisponibilité et de pointe. Leur 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 liés à une consommation en constante croissance.

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 contrebalancée par un coût relativement élevé, ce qui nécessite le développement de stratégies de surveillance pour prolonger au maximum leur durée de vie. Actuellement, l'industrie et le monde universitaire consacrent beaucoup d'efforts à l'étude et à la compréhension de la dégradation des batteries dans différentes conditions.