Le livre blanc de Cummins partage les concepts clés derrière BESS

Alors que le paysage énergétique mondial évolue vers les énergies renouvelables, les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) gagnent du terrain dans divers domaines. Sur les chantiers et dans les applications commerciales et industrielles, ils offrent une énergie propre et sans émissions, tout en évitant un autre type d'émissions : le bruit.

« Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) sont devenus une technologie essentielle de la gestion moderne de l'énergie. Ils offrent une solution à l'intermittence des sources d'énergie renouvelables et améliorent la stabilité du réseau », a déclaré Hassan Obeid, responsable mondial des ventes techniques pour les solutions pour les nouvelles énergies chez Cummins. Il a rédigé un nouveau livre blanc intitulé « Systèmes de stockage d'énergie par batterie : Comprendre les concepts clés et leurs applications ». Dans ce livre blanc, M. Obeid explique ce que sont les BESS, leur fonctionnement et leur application efficace.

Hiérarchie des composants

Bien qu'un BESS puisse ressembler à une simple boîte, Obeid a déclaré que de nombreux composants sont intégrés à l'intérieur de cette boîte de manière complexe pour garantir un fonctionnement sûr et efficace.

Image : malp via Adobe Stock

« Chaque composant joue un rôle essentiel dans la fonctionnalité et les performances globales du système », a-t-il déclaré. « Comprendre ces composants clés est essentiel pour comprendre le fonctionnement du BESS et les divers avantages qu'il offre. »

Comme on peut s'y attendre, chaque BESS contient des cellules de batterie. Celles-ci constituent les unités énergétiques fondamentales du système.

« Les cellules sont regroupées en modules pour une manipulation et une gestion plus aisées », explique Obeid. « Plusieurs modules sont ensuite assemblés en racks pour une configuration plus structurée et plus efficace. »

Comme de nombreux véhicules électriques, les BESS sont également équipés de systèmes de gestion de batterie (BMS). Selon Obeid, c'est le BMS qui gère chaque niveau de la hiérarchie des composants.

Au niveau des cellules de batterie, par exemple, le BMS effectue plusieurs tâches, notamment la surveillance de la tension et de la température, ainsi que l'équilibrage des charges et des décharges. Le BMS estime également l'état de charge (SoC), qu'Obeid qualifie d'« équivalent à une jauge de charge pour une batterie ». L'état de charge indique la quantité d'énergie disponible dans la batterie à un instant T, en pourcentage de sa capacité totale, a-t-il précisé. Le BMS surveille également l'état de santé (SoH) des batteries, qui mesure leur capacité à vie.

En remontant la hiérarchie jusqu'aux modules de batterie, le BMS surveille l'état de chaque module, a expliqué Obeid. Cela inclut la gestion thermique pour garantir que les systèmes de chauffage et de refroidissement maintiennent les températures dans une plage optimale. Il gère également les éventuelles pannes. Enfin, il facilite la communication entre les cellules et le rack.

À ce niveau, Obeid a identifié plusieurs responsabilités clés pour le BMS. Il assure par exemple l'intégration du système et la gestion de la charge, et gère l'énergie pour un stockage et des utilisations optimisés. À ce niveau, le BMS est également responsable de la mise en œuvre des protocoles de sécurité, notamment les arrêts d'urgence. Enfin, il a souligné que le BMS gère la communication avec les systèmes extérieurs au BESS, tels que ceux utilisés par une installation ou le réseau.

Parmi les autres composants BESS identifiés par Obeid figurent les systèmes de conversion de puissance (PCS), qui transforment le courant continu de la batterie en courant alternatif via des onduleurs et des redresseurs. Ils effectuent la conversion en sens inverse pendant la charge.

Il existe également un système de contrôle du BESS, qui « fait office de plateforme centrale intégrant le BESS aux autres parties du système », a expliqué Obeid. Il s'agit notamment du réseau électrique, du micro-réseau ou d'autres ressources énergétiques décentralisées.

Certains systèmes BESS peuvent également être équipés d'un système d'alimentation sans interruption (ASI). « Cet ajout fournit une alimentation de secours pour maintenir les fonctions critiques et permet au système de redémarrer de manière autonome », a déclaré Obeid.

Capacités et limites

Comme pour tout type d’équipement, il est important de pouvoir comprendre les limites d’un BESS et d’avoir les moyens de déterminer comment il se comporte au fil du temps.

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) composé de plusieurs modules de batteries au lithium placés côte à côte. (Image : malp via Adobe Stock)

À ces fins, Obeid a déclaré que chaque BESS a une capacité de puissance nominale et une capacité énergétique.

Il a appelé capacité de puissance nominale la capacité de décharge instantanée totale possible du BESS, ou le taux de décharge maximal à partir d'un état de charge complète. Elle est exprimée en kW ou en MW.

En comparaison, la capacité énergétique « est la quantité maximale d’énergie stockée ou consommée en kWh ou MWh », a déclaré Obeid.

Il a ajouté qu'il est crucial de comprendre la différence entre kW/MW et kWh/MWh. « Connaître cette différence est essentiel pour évaluer avec précision les besoins énergétiques, les capacités des systèmes, leur dimensionnement, leurs applications et leurs coûts d'exploitation », a déclaré Obeid. « Cela permet également de prendre des décisions éclairées en matière de consommation d'énergie, d'efficacité et de durabilité. »

En utilisant kW et kWh comme exemples, Obeid a déclaré que kW est une unité de puissance, tandis que kWh est une unité d'énergie.

Concernant les kW, il a déclaré : « Cela indique la vitesse à laquelle l'énergie est consommée à un instant T », ajoutant qu'un système de 10 kW peut fournir 10 kW de puissance instantanément. Il s'agit de la vitesse du flux d'énergie entrant ou sortant d'un BESS.

« Le kilowattheure (kWh) est une unité d'énergie », a expliqué Obeid, « représentant la quantité totale d'énergie consommée ou produite au fil du temps. Il indique la consommation ou la production cumulée d'énergie. » À titre d'exemple, il a indiqué qu'un système de 10 kW fonctionnant pendant une heure consommerait ou produirait 10 kWh d'énergie.

Comprendre le taux C

Un aspect du BESS est connu sous le nom de taux C, également décrit comme la durée de stockage et le taux de charge/décharge.

« Le taux C mesure la vitesse à laquelle une batterie se décharge par rapport à sa capacité maximale », explique Obeid. « Il est défini comme l'inverse du temps (en heures) nécessaire pour décharger complètement la batterie. »

À titre d'exemple, Obeid a déclaré qu'un BESS avec un taux C de 1C sera soit complètement chargé, soit déchargé en une heure, car 1/1 — l'inverse de 1 — est égal à 1. Cependant, un taux C de 0,5C signifie un taux de charge/décharge de 2 heures, car 1/0,5 est égal à 2.

Il a déclaré que la gestion du taux C garantit un fonctionnement sûr du BESS et une durée de vie utile plus longue.

« Les batteries à faible taux de charge mettent plus de temps à se charger », explique Obeid, « mais peuvent fournir de l'énergie pendant une période prolongée. À l'inverse, les batteries à taux de charge élevé peuvent fournir rapidement un courant important, ce qui les rend adaptées aux applications de forte puissance et de courte durée, comme la régulation de fréquence du réseau. Cependant, elles ne peuvent pas maintenir cette puissance aussi longtemps que les batteries à taux de charge plus faible. »

À titre d’exemple, Obeid a déclaré qu’une batterie avec un taux C de 5C peut fournir cinq fois sa puissance nominale, mais seulement pendant 12 minutes (1/5 de 60 minutes correspond à 12 minutes).

Les BESS à faible taux de charge sont souvent utilisés dans les applications énergétiques, car ils assurent une alimentation électrique stable et prolongée. En revanche, les applications de puissance nécessitent souvent des taux de charge plus élevés (1C ou plus), car ils peuvent fournir des pics de puissance rapides.

Obeid a ajouté que même si le taux C peut être réduit, il ne peut pas dépasser la capacité nominale du BESS.

« Par exemple, si un système est évalué à 1 °C, il peut être chargé ou déchargé à des valeurs C inférieures, telles que 0,5 °C ou 0,25 °C », a-t-il déclaré, « mais il ne peut pas fonctionner à des valeurs C plus élevées, telles que 2 °C ou 3 °C.

Le BESS contribue à la décarbonisation des grues à tour et des chantiers Connu sous le nom d'Enertainer — une combinaison d'« énergie » et de « conteneur » — le BESS stocke suffisamment d'énergie pour répondre aux pics d'énergie nécessaires à trois grues à tour maximum.

Un autre entrepreneur britannique adopte le BESS pour les grues à tour et les chantiers de construction Bowmer & Kirkland a adopté le BESS comme solution d'alimentation préférée pour les grues et a découvert qu'un seul BESS est nécessaire pour alimenter efficacement un chantier de construction entier.