Directives de conception des postes connectant des systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS)

Introduction

Le système de stockage par batterie présente des avantages par rapport autres technologies de stockage, parce qu'il permet une grande variété d'options qui apportent une haute densité d'énergie, un rendement élevé, une réponse rapide, de la modularité, des limitations géographiques moindres, une faible occupation du sol, une maintenance légère et une certaine facilité de montage et d'installation. La taille de la batterie fait qu'elle peut être mise œuvre  pour obtenir une grande plage de capacités, allant de quelques kWh pour une application domestique, à des GWh pour un système électrique.

Bien que d'autres technologies de stockage d'énergie soient bien maîtrisées, les BESS sont considérés comme une nouvelle technologie d'avenir, encore en évolution, avec laquelle beaucoup de compagnies électriques et propriétaires de systèmes électriques ne sont pas familières. La Brochure Technique (BT) constitue un guide sur la mise œuvre des BESS dans un poste, applicable aux postes existants comme aux nouveaux projets de poste.

Spécifications techniques d'un poste connecté à un BESS

Pour intégrer un poste raccordé à un BESS il faut comprendre le code de réseau. Bien que les exigences du code de réseau puissent varier d'un pays à un autre, les exigences principales comme la tenue sur défaut, la conformité des harmoniques, la régulation de la prise de charge et le réglage de la fréquence suivent les mêmes principes.

Un BESS dans une configuration de réseau adaptée assure une optimisation des coûts et une bonne fiabilité. Il faut donc examiner la configuration du réseau local et des ajustements pourront être requis. La mise en place des RES devient plus intéressante, et la création de microgrids à basse ou moyenne tension devient plus courante. Ces systèmes trouvent des avantages à mettre en œuvre des BESS et des productions, des charges locales, des systèmes de télécommunications et de traitement d'information. La figure 1 donne un exemple de microgrid bénéficiant d'un BESS.

En exploitation normale, le microgrid est connecté au grand réseau par des artères et le BESS assure la fonction de réglage de fréquence. Quand un défaut inopiné ou une défaillance surviennent sur l'artère d'alimentation du microgrid, le microgrid doit basculer en mode de réseau séparé.

Dans un poste neuf raccordé à un BESS les caractéristiques assignées des équipements et le système de contrôle et de protection peuvent être définis en fonction des caractéristiques du BESS et de son fonctionnement. Cependant pour un poste préexistant, les caractéristiques historiques des équipements doivent être vérifiées pour s'assurer qu'ils pourront supporter la charge additionnelle liée au BESS. En outre il faut analyser le système existant de contrôle et de protection, et en particulier le protocole de communication entre les équipements préexistants, le comptage, le système de conduite du poste et le système SCADA. Les spécifications des services auxiliaires du BESS conduisent à des coûts élevés. Ces services doivent être pris en compte dans la conception, qu'ils soient fournis par les services auxiliaires internes du poste ou par des auxiliaire externes, en fonction des besoins du BESS.

Les configurations du système de mise à la terre pourront présenter des caractéristiques différentes, en fonction de la configuration des mises à la terre retenue et des conditions de mises à la terre du neutre.

Les impacts environnementaux doivent être pris en considération et limités, comme par exemple pour la pollution sonore, l'impact visuel, la pollution chimique, etc.

La sécurité des personnes est très importante, et l'installation d'un BESS dans un poste va accroître les risques d'incendie et même d'explosion. Des mesures de sécurité complémentaires seront requises, surtout dans le cas d'un BESS de forte capacité.

Conception du poste

Les équipements de la batterie peuvent être installés en extérieur ou en intérieur dans un bâtiment, en fonction de considérations environnementales telles que les inondations éventuelles, la température ambiante, les niveaux de pollution, les risques sismiques, les risques de neige, etc. Dans les zones de forte population l'installation dans un bâtiment est la plus adaptée et en plus c'est aussi une solution qui réduit l'impact visuel et la pollution sonore.

Des distances minimales entre équipements sont imposées par les normes de l'Association Nationale de Protection contre le Feu (NFPA), pour faciliter la lutte contre le feu et la propagation du feu. Elles diffèrent selon le type d'installation, extérieure ou en bâtiment. De plus chaque type de batterie présente des caractéristiques spécifiques en matière de propagation du feu, et les besoins de systèmes d'extinction de feu seront adaptés.

Une installation en intérieur peut être de deux types, soit un bâtiment dédié, qui est exclusivement destiné à l'installation du BESS, soit un bâtiment partagé, non dédié, qui peut par ailleurs abriter un atelier. Le premier type de bâtiment doit être situé à plus de 100 pieds (30,5 m) de tout autre bâtiment ou installation, sans exigences de distances entre implatation des équipements internes. Le bâtiment non-dédié doit seulement permettre de maintenir un intervalle de 3 pieds (0,9 m) entre la zone d'implanatation des batteries et un mur de séparation.

Une installation de BESS en extérieur couvre deux possibilité, un BESS installé dans un endroit éloigné, et un BESS installé près d'installations exposées. Pour un BESS installé à plus de 100 pieds (30,5 m) de tout bâtiment ou installation, sans installation exposée, aucune exigence en distances de séparation des équipements n'est requise. Pour une installation près d'installations exposées une distance minimale de 10 pieds (3 m) de tout autre bâtiment ou installation est requise. Cette distance peut être réduite à 3 pieds (0,9 m) si la paroi de séparation présente une tenue au feu de 2 heures.

Les puissances et énergies transitées depuis le BESS au point commun de couplage (PCC) peuvent se calculer à partir des caractéristiques des constituants. La Figure 2 donne une illustration des composants principaux dont les caractéristiques et les rendements doivent être pris en compte, parmi lesquels le transformateur, le Système de Conversion d'Energie (PCS) (ou le convertisseur), les composants qui transportent le courant (pertes cuivre), et les batteries.

Installation et mise en service

Il existe de nombreuses technologies de batterie utilisées dans les BESS, chacune avec des caractéristiques spécifiques, et certaines demandent des équipements et des procédures spécifiques à la technologie de batterie et à la conception du fabricant. La taille et le poids des modules de batterie ont leur importance, ils sont différents selon les technologies, et ils impactent la logistique de transport.

Pour un exemple de batterie NaS d'un constructeur, la solution du container permet à 95% l'assemblage et l'essai en usine pour la batterie elle-même, et réduit ainsi les étapes de réalisation d'un système de batterie sur le site. cependant un container unique peut peser 25 tonnes et demander des moyens de levage puissants pour l'installation des modules ainsi que la disponibilté d'un espace suffisant pour leur utilisation, tant pour l'installation que pour la maintenance.

Pour les batteries lithium-ion, la méthode d'installation diffère selon les constructeurs. Par exemple la batterie pourra être transportée sous forme d'ensembles distincts de racks complètement équipés, alors que leurs containers sont équipés de sous-systèmes en usine et transportés ensuite sur site, où les racks de batteries et autres sous-systèmes sont assemblés dans le container pour achever l'installation. Le module de batterie peut peser jusqu'à 60 kg, ce qui amène à un poids de plus d'une tonne pour un rack complet, poids qui peut imposer des outils spéciaux pour placer les racks dans les containers au point d'installation. Le remplacement d'un module demandera aussi des moyens et procédures spéciaux.

Lors de l'installation et de la mise en service d'une batterie lithium-ion, il peut arriver qu'un module de batterie subisse un dommage interne lors des manipulations, pouvant causer un incendie, même sans dommage externe visible. Si un module tombe ou subit un impact violent pendant l'installation, ce module ne devra pas être installé par la suite. Il est recommandé que l'installation d'un BESS soit supervisée par le constructeur de la batterie.

En ce qui concerne les recommandations du constructeur en matière d'essai et de normes, l'essai d'un BESS commence par les essais d'acceptation en usine (FAT) du système de conversion d'électricité (PCS), du système de batteries et du système de surveillance et de contrôle, puis se poursuit par les essais d'acceptation sur site des sous-systèmes, les essais hors ligne et en ligne, les essais de première mise sous tension et les essais de vérification de bon fonctionnement qui prouvent que le BESS peut être exploité de façon efficace et sûre.

Après l'achèvement de l'installation d'un BESS, une première mise sous tension est nécessaire pour résoudre les problèmes d'éléments non chargés ou non équilibrés dans le BESS. Après ces équilibrages des éléments du BESS, la série des essais de mise en service sera exécutée pour vérifier les fonctions du BESS et le respect des exigences des spécifications techniques. Ces essais se divisent en gros en trois groupes, respectivement les vérifications des paramètres, les essais de bon fonctionnement, et les vérifications globales de l'installation :

• La vérification des paramètres est un essai obligatoire pour chaque système BESS. Cet essai est destiné à mesurer et valider les caractéristiques de base et le fonctionnement du BESS ;
• L'essai de bon fonctionnement est destiné à vérifier que le BESS est capable de fournir les services réseau requis, pour chaque catégorie d'utilisation ;
• L'essai de vérification de l'installation a pour objet de vérifier la conformité du système.

Maintenance

Avec la mise œuvre d'une nouvelle technologie telle que le BESS, la préparation et la formation du personnel du poste peut être nécessaire, pour permettre que certains éléments soient correctement entretenus par un personnel de maintenance du poste correctement formé. La conception modulaire du BESS fait que la maintenance consiste essentiellement à remplacer les modules par des modules de rechange, selon les programmées recommandés par le constructeur. Du fait de l'évolution rapide de la technologie il est recommandé de constituer un stock de rechanges sur le site. Cela n'exclut pas qu'il puisse se rencontrer des situations pour lesquelles des opérations importantes de maintenance demanderont des outils et des procédures spécifiques.

Conclusion

Les directives et les recommandations proposées dans la Brochure Technique sont de grand intérêt quand il est envisagé de concevoir, d'installer, et de mettre en service une technologie BESS, et d'en maintenir une exploitation fiable. Par ailleurs il faut, pour exploiter de façon sûre et fiable les BESS dans les systèmes électriques, que  les normes de construction et d'essais soient régulièrement revues, pour exploiter efficacement les enseignements du retour d'expérience des parties prenantes et pour gérer efficacement les risques.