Perspectives de diffusion des batteries lithium-ion pour le stockage en réseau

En tant que consommateur d'énergie, vous vous attendez généralement à ce que les lumières s'allument dès que vous actionnez un interrupteur. Lorsque vous branchez un appareil dans une prise de votre maison, vous vous attendez à ce que le courant passe immédiatement. À condition, bien sûr, d'avoir payé vos factures à temps.

Vous pouvez fonder vos attentes sur votre confiance dans le réseau électrique régional, qui fonctionne en partant du principe que le réseau dispose d'une réserve d'énergie inépuisable. Pourtant, la vérité est bien plus complexe. Cet article se concentre sur le fonctionnement de votre réseau électrique et le rôle joué par les batteries lithium-ion.

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L'électricité que vous utilisez à votre domicile ou sur votre lieu de travail vous est fournie par un réseau complexe de lignes de transport d'électricité. Ces lignes de transport d'énergie et leurs composants électriques constituent collectivement le réseau électrique.

Le réseau est conçu pour fournir de l'électricité de manière transparente lorsque vous en avez besoin. Toutefois, la distribution de l'électricité est beaucoup plus compliquée que le simple fait d'actionner un interrupteur. Le réseau vous relie à une grande variété de producteurs d'électricité situés à différents endroits. Ces centrales produisent également de l'électricité à partir d'un large éventail de sources, dont les combustibles fossiles, l'énergie solaire, l'énergie éolienne et l'énergie hydraulique, entre autres. Le réseau s'appuie sur plusieurs solutions technologiques pour faire son travail efficacement.

Le réseau : Gestion de l'offre et de la demande d'électricité

L'électricité présente une façade selon laquelle elle est toujours disponible dans vos prises de courant, attendant d'être utilisée, car, lorsque vous actionnez votre interrupteur, le réseau vous fournit immédiatement du courant. Pourtant, la production et la consommation d'électricité varient tout au long d'un cycle de 24 heures.

Les opérateurs de votre réseau ajustent continuellement les systèmes électriques pour équilibrer les différentes offres et demandes d'électricité. Pendant la journée, la majeure partie de l'électricité des centres urbains est consommée dans les bureaux et les usines lorsque les gens se rendent au travail. Mais la nuit, la majeure partie de la demande d'électricité se situe dans les zones résidentielles pour alimenter et éclairer les maisons.

La popularité croissante des énergies renouvelables a ajouté à la dynamique à laquelle les gestionnaires de réseau sont confrontés. La production d'électricité de la plupart des centrales d'énergie renouvelable varie en fonction de la disponibilité de la ressource, ce qui est évident dans le cas de l'énergie éolienne et solaire. L'énergie éolienne n'est disponible que lorsqu'il y a du vent et l'énergie solaire lorsqu'il y a du soleil. Par conséquent, les gestionnaires de réseau doivent également gérer leur approvisionnement en électricité afin d'améliorer la fiabilité.

Plusieurs pays d'Europe et d'autres parties du monde ont donné la priorité à l' approvisionnement en énergie renouvelable. Dans ces cas, l'électricité produite à partir de ressources renouvelables doit être achetée immédiatement. Or, les centrales d'énergie renouvelable produisent souvent plus d'électricité que le réseau n'en a besoin. Les opérateurs du réseau peuvent arrêter les combustibles fossiles et les centrales thermiques pour préserver le carburant lorsque la demande d'électricité est faible. En revanche, il est impossible d'éteindre le soleil ou le vent. Cette offre excédentaire d'électricité est à l'origine du développement des systèmes de stockage d'énergie sur le réseau.

Comprendre le stockage d'énergie en réseau

Le stockage d'énergie en réseau est également connu sous le nom de stockage d'énergie à grande échelle. Par définition, la référence au stockage de l'électricité excédentaire est un paradoxe car l'électricité elle-même ne peut être stockée1. Cependant, il est possible de la convertir en d'autres formes d'énergie qui peuvent être stockées et transformées en électricité à la demande. Cette conversion de l'électricité en formes d'énergie stockables est la technologie qui sous-tend le stockage de l'énergie sur le réseau.

Le type le plus courant de stockage d'énergie sur réseau est utilisé dans les systèmes d'énergie hydroélectrique. Lorsque l'électricité est bon marché ou que la demande est faible, les exploitants de la centrale pompent de l'eau vers un barrage ou un réservoir élevé. Cette eau est ensuite libérée pendant les pics de demande par des tuyaux pour actionner des turbines électriques1. Parmi les autres types de stockage d'énergie sur le réseau, citons les batteries, l'énergie ferroviaire, les volants d'inertie, les supercondensateurs, etc.

Stations d'alimentation avec accumulateurs au lithium-ion

Les batteries fonctionnent en convertissant l'électricité en énergie chimique, ce qui permet de produire facilement de l'électricité à la demande. L'énergie stockée dans les batteries ne peut être produite que sous forme de courant continu (CC). Or, le réseau électrique fonctionne généralement en courant alternatif (CA). Les centrales électriques à batteries ont donc besoin de composants électroniques supplémentaires, tels que des onduleurs, pour convertir le courant continu en courant alternatif.

L'utilisation de batteries pour soutenir le réseau a commencé dans les années 1980 avec les batteries plomb-acide. À mesure que le prix des différents minéraux et technologies diminuait, les batteries au nickel-cadmium et au sodium-soufre sont devenues populaires. Depuis 2010, les batteries Lithium-Ion (LIB) sont devenues la technologie de choix pour les applications de stockage à petite et grande échelle.

La popularité de la batterie lithium-ion pour le stockage sur réseau

Les batteries au lithium-ion représentent actuellement plus de 90 % des systèmes de stockage en réseau dans le monde. Le coût des batteries au lithium n'a cessé de baisser au cours des dix dernières années. Comme pour l'énergie solaire, la réduction des prix a rendu la technologie lithium-ion très rentable.

Ainsi, un plus grand nombre de fournisseurs de réseau s'éloignent des batteries classiques et investissent dans les batteries lithium-ion pour le stockage de l'énergie. Aux États-Unis, les fournisseurs de services publics sont passés d'une utilisation d'environ 80,6 MWh en stockage en 2013 à près de 650 MWh en 20172. Outre le caractère abordable, voici quelques raisons pour lesquelles les batteries au lithium-ion sont de plus en plus populaires.

La haute densité énergétique du lithium

La densité énergétique est la quantité d'énergie qu'une pile contient par unité de masse ou de capacité. La définition de la densité d'une batterie par son poids est appelée densité énergétique gravimétrique. Elle est mesurée en wattheures par kilogramme (W-hr/Kg).

Si l'on définit la densité énergétique par la capacité de la batterie, on parle de densité énergétique volumétrique. Les batteries lithium-ion sont si populaires parce que le lithium contient les densités d'énergie les plus élevées au monde.

Applications des batteries au lithium-ion

Si vous connaissez les systèmes solaires domestiques autonomes, vous savez qu'ils utilisent des banques de batteries pour fournir de l'énergie la nuit. Cependant, les batteries pour le stockage sur réseau ont une gamme d'applications plus étendue. Vous pouvez concevoir ces systèmes pour combler les lacunes créées par les insuffisances du réseau. Ces applications comprennent

• Puissance de pointe à court terme
• Pics de puissance de rasage
• Services auxiliaires
• Réserve de réponse en fréquence
• Panne d'électricité

Alimentation de pointe à court terme

Les systèmes d'alimentation électrique ont deux types de régimes de puissance. Il s'agit de la puissance continue et de la puissance de crête. La puissance continue est la quantité de puissance qui peut être fournie durablement sans interruption.

Par ailleurs, la puissance de crête est la quantité maximale de puissance qu'une alimentation peut supporter. Elle ne peut être maintenue que pendant de courtes périodes allant de quelques millisecondes à quelques secondes. Si elle est fournie pendant plus de quelques secondes, elle peut endommager l'alimentation ou les appareils.

Plusieurs appareils électromécaniques motorisés consomment plus d'énergie au démarrage qu'en fonctionnement normal. Ces appareils peuvent nécessiter jusqu'à trois fois plus de puissance pour démarrer. Les ventilateurs, les actionneurs, les pompes, etc. sont des exemples de ces appareils.

Le stockage sur batterie lithium-ion peut fournir la puissance instantanée supplémentaire nécessaire lors des pics de consommation. Cette configuration peut éviter à l'opérateur du réseau d'utiliser des sources d'électricité coûteuses et des centrales de pointe pour combler le manque d'approvisionnement en électricité.

Applications d'écrêtement des pointes

Les marchés de l'électricité ne sont pas seulement régis par l'offre d'électricité, mais aussi par les tendances de la demande d'électricité. Les consommateurs d'électricité commerciaux savent que les tarifs d'électricité du réseau varient tout au long de la journée. Aux moments où la demande est faible, le système vous facture aux tarifs heures creuses. En revanche, lorsque la demande est élevée, l'énergie est fournie à des prix plus élevés.

L'écrêtement des pointes fait référence à l'utilisation de sources d'énergie alternatives pour répondre à la demande d'électricité pendant les heures de pointe, ce qui permet de maintenir vos coûts de services publics à un niveau bas sans modifier vos horaires ou votre production.

Les systèmes de stockage en réseau lithium-ion sont excellents pour les applications d'écrêtement des pointes. Pendant les heures creuses, les centrales de stockage de batteries peuvent utiliser de l'électricité bon marché pour charger les banques de batteries lithium-ion. Elles peuvent ensuite la vendre à profit pendant les heures de pointe.

L'écrêtement des pointes gagne également en popularité auprès des utilisateurs domestiques dans les applications de gestion de la demande. Les propriétaires chargent leurs batteries lithium-ion en utilisant l'énergie solaire gratuite pendant la journée. Ils la consomment ensuite la nuit, lorsque les tarifs des services publics sont élevés.

Lestechnologies intelligentes sont très utiles pour mettre en place des applications d'écrêtement des pointes. Vous pouvez configurer votre système pour qu'il passe automatiquement de l'alimentation du réseau à l'alimentation par batterie pendant les heures de pointe afin de réaliser des économies.

Batteries lithium-ion pour les services auxiliaires

Comme tout système complexe, le réseau électrique connaît souvent des insuffisances ou des lacunes de livraison. Ce sont des circonstances qui entraînent une interruption de l'alimentation en électricité de ses clients.

La production et le transport réguliers d'électricité jouent un rôle essentiel dans le maintien de la stabilité et de la sécurité du réseau. Pourtant, il existe encore divers cas où elles sont inefficaces. Les services auxiliaires maintiennent la stabilité et la sécurité du réseau lorsque les opérations régulières de production et de transmission sont inadéquates.

Les services auxiliaires étaient traditionnellement assurés par des générateurs d'électricité. Cependant, les progrès de la technologie de stockage de l'énergie ont augmenté les options des gestionnaires de réseau. Les services auxiliaires sont désormais assurés par des centrales électriques à batteries au lithium-ion, des véhicules électriques et des centrales d'énergie renouvelable. La liste ci-dessous présente certains des services auxiliaires les plus courants fournis par le réseau électrique.

• Réserves d'exploitation et de filature
• Contrôle de la tension
• Programmation et répartition de l'électricité
• Compensation des pertes

Roundup

Le stockage de l'énergie sur le réseau est un marché en pleine croissance au potentiel immense. L'évolution perpétuelle de l'industrie de l'alimentation électrique exige une innovation constante et une réinvention de la technologie. Les batteries lithium-ion constituent une solution compétitive, fiable et rentable dans le domaine du stockage de l'énergie.