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Assurer une gestion thermique inégalée pour favoriser des performances fiables à travers le réseau
L'importance de l'uniformité de la température (±1,5 °C) pour assurer une régulation fréquentielle constante
Le refroidissement liquide maintient de façon optimale la température des conteneurs de stockage de batteries dans une fourchette de ± 1,5 degré Celsius. Une stabilité thermique de ce niveau est essentielle pour permettre aux batteries de réagir rapidement et précisément aux variations de fréquence. En l’absence d’un tel contrôle uniforme de la température, les batteries deviennent lentes et leur efficacité diminue rapidement. Ces systèmes, comme le démontrent les expériences, sont capables de réguler la fréquence du réseau dans une fourchette de 0,1 Hz, même en cas de changements soudains de la demande. En revanche, les systèmes à refroidissement par air présentent presque systématiquement un écart thermique de 5 degrés, ce qui, combiné à d’autres facteurs, entraîne des problèmes de régulation de fréquence et affecte la puissance réactive fournie. Les essais UL 9540A montrent qu’une gestion thermique adéquate permet de réduire de 40 % les problèmes liés à la fréquence par rapport aux systèmes de refroidissement par air. Dans les applications à grande échelle sur le réseau électrique destinées aux sources d’énergie renouvelable, il est indispensable d’atteindre ce niveau d’uniformité thermique afin d’éviter des défaillances systémiques plus importantes.
Preuve de cas : Projet AES Alamitos de 400 MWh – Disponibilité de 99,2 % avec des conteneurs de stockage par batterie à refroidissement liquide
Le projet AES Alamitos de 400 MWh a atteint un taux de disponibilité annuel de 99,2 % grâce à des conteneurs de stockage par batteries refroidis à liquide. Ce niveau de disponibilité démontre l’efficacité de la conception thermique et la résilience opérationnelle de l’ensemble du système. Pendant une année complète, cette configuration a été en service et sous contrat avec le réseau électrique, y compris pendant des périodes de décharge continue, d’ajustement de la demande et de longues durées de fonctionnement. La configuration était également sous contrat pour fournir une réponse active en fréquence et un équilibrage de charge pendant la période concernée. Comment cet objectif a-t-il été atteint ? Le système de refroidissement à liquide intégré a efficacement éliminé les problèmes thermiques causés par d’autres systèmes et a maintenu une température optimale constante pour chaque cellule individuelle. Cela s’est traduit par une réduction de 50 % des interventions de maintenance non planifiées et des problèmes thermiques. Cette configuration a généré des revenus supplémentaires issus de services auxiliaires à réponse rapide pendant la période de fonctionnement du projet, en plus d’une réduction des coûts d’exploitation et de maintenance (O&M). Ce projet constitue une preuve supplémentaire, ainsi qu’une solution viable, face au besoin croissant et rapide de conteneurs refroidis à liquide dans les projets de stockage d’énergie à grande échelle.
Sécurité améliorée grâce à une atténuation intégrée supplémentaire des risques de réaction thermique incontrôlée
Données issues des essais UL 9540A : pourquoi 78 % des incidents liés aux systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) sont causés par des points chauds fiables dans les systèmes refroidis à l’air
Selon les essais UL 9540A, le chauffage inégal constitue le principal risque pour la sécurité des systèmes de stockage d’énergie par batteries à grande échelle. Les défis les plus importants auxquels nous sommes confrontés découlent des points chauds mentionnés ci-dessus dans les systèmes refroidis à l’air. Lorsque l’air refroidi dans ces systèmes ne peut pas être refroidi de plus de 15 degrés Celsius entre les modules batterie, certains modules sont refroidis bien en dessous de leurs températures de fonctionnement sécurisées, ce qui accélère leur dégradation. Cela crée rapidement un déséquilibre important de la résistance électrique et augmente la probabilité d’un emballement thermique pendant les cycles à état de charge élevé. Une fois cet état d’emballement atteint, la chaleur se propage rapidement aux cellules adjacentes, car le système de refroidissement mentionné ci-dessus ne fournit pas un refroidissement suffisant et l’oxygène présent dans l’air est abondant, alimentant ainsi l’incendie. En quelques minutes seulement, ce qui aurait pu n’être qu’un problème mineur se transforme en un incendie généralisé.
Fluide diélectrique + Détection d’incendie en temps réel : réduction de 67 % du temps de propagation
Lorsqu'elle est combinée au refroidissement diélectrique par immersion, l'analyse prédictive multicapteur peut réduire le temps de propagation de la réaction thermique incontrôlée jusqu'à 67 %. Le liquide de refroidissement spécial non conducteur absorbe la chaleur 3,5 fois plus efficacement que l'air et bloque également l'oxygène, tout en maintenant physiquement séparées les cellules défaillantes. Les systèmes de surveillance en temps réel peuvent détecter les premiers signes d'anomalie, tels que de faibles variations de tension, des augmentations soudaines de CO2 ou des hausses localisées de température. Dès que le système détecte ces phénomènes, il peut isoler de manière autonome les modules concernés en quelques secondes seulement. Cela signifie que, plutôt que de maîtriser des problèmes susceptibles de se propager à d'autres conteneurs, les incidents sont circonscrits précisément là où ils prennent naissance. Lors d'études menées sur le terrain, nous avons observé une réduction du temps de réponse moyen, passant de 8 minutes à 2,5 minutes. Cette amélioration du délai augmente considérablement le niveau de confinement des incidents et renforce également la sécurité du personnel potentiellement exposé à des conditions dangereuses.
Durée de vie plus longue et coûts d'exploitation et de maintenance réduits grâce au refroidissement précis
Référence du DOE 2023 : durée de vie cyclique de 15 à 20 ans contre 10 à 12 ans pour les systèmes refroidis à l'air
Le rapport de référence sur les performances des systèmes de stockage d'énergie (BESS) du Département américain de l'Énergie (2023), par exemple, indique que le refroidissement liquide précis des batteries lithium-ion implique l'intégration de mécanismes de refroidissement permettant de réguler la température dans une fourchette d'environ ±1,5 °C. Cela contribue à réduire fortement la perte de capacité observée avec les systèmes refroidis à l'air. Ainsi, les batteries offrent une durée de vie en cycles accrue. Plutôt que de fonctionner pendant les 10 à 12 ans habituels avec un système de refroidissement conventionnel, elles peuvent fonctionner pendant 15 à 20 ans tout en conservant plus de 80 % de leur capacité initiale. En général, la durée de vie en cycles répétés des batteries signifie qu’elles devront être remplacées trois fois moins fréquemment. Cette réduction de la fréquence des remplacements se traduit par un coût inférieur à chaque intervention. L’analyse des coûts sur le cycle de vie menée par l’Institut Ponemon démontre, à cet égard, qu’au fil du temps, les entreprises réaliseront des économies d’environ 740 000 $ pour chaque cent mégawattheure de capacité de stockage.
La modularité à chaud des conteneurs de stockage de batteries réduit les temps d'arrêt de 92 %
Les conteneurs de stockage sont conçus pour permettre aux techniciens d'effectuer des remplacements de modules de batterie sur site. Cela signifie que des systèmes entiers peuvent rester opérationnels pendant que les modules sont remplacés, ce qui réduit considérablement le temps consacré à la maintenance. Le programme d’essais de l’ERCOT en 2023 a confirmé que l’utilisation de modules permet de réduire, en moyenne, les temps d’arrêt mensuels de 14,5 heures à un peu plus d’une heure. En complément de certains outils prédictifs d’évaluation de l’état de santé du système, le taux de disponibilité peut atteindre près de 99 %, tandis que les coûts de main-d’œuvre liés à l’exploitation et à la maintenance peuvent être réduits d’environ 60 %. Un autre avantage majeur de cette conception modulaire réside dans la facilité avec laquelle des modules supplémentaires peuvent être intégrés au système. Les solutions de batteries modulaires sont conçues pour s’intégrer aux systèmes existants sans nécessiter de repositionnement ou de reconfiguration des fondations, du câblage électrique ou des systèmes de refroidissement. Cela réduit considérablement le besoin de travaux de rénovation coûteux et permet un déploiement bien plus rapide des nouvelles installations par rapport aux solutions conventionnelles.
Solutions de stockage évolutives rentables et économiques en espace pour les emplacements à forte densité
Les conteneurs de stockage de batteries refroidis par liquide offrent environ 40 % de capacité de stockage supplémentaire par mètre cube par rapport aux conteneurs refroidis par air, ce qui les rend plus rentables dans les environnements urbains denses, tels que les postes électriques urbains et les sites industriels, ainsi que dans les systèmes micro-réseaux hors réseau où le coût des terrains est très élevé. Au-delà de 1 mégawatt par unité de batterie, les systèmes refroidis par air présentent un risque de défaillances localisées dues à des « points chauds » et une réduction de la durée de vie des assemblages compacts. Les conteneurs de batteries refroidis par liquide distribuent le liquide de refroidissement, même lorsqu’ils sont chargés à plus de 1 mégawatt par conteneur, afin de contribuer à maîtriser les déséquilibres thermiques et de permettre un empilement vertical et plus serré des batteries. Les conteneurs modulaires permettent également de réduire les délais et les coûts en limitant la fabrication sur site. Par rapport à d’autres conceptions de conteneurs, les systèmes refroidis par air sont prêts pour un déploiement trois fois plus rapide.
F.A.Q.
Pourquoi le refroidissement liquide est-il plus optimal que le refroidissement par air pour les batteries ?
Pour les batteries, le refroidissement par air entraîne fréquemment des variations de température plus importantes et un refroidissement inégal. Cela conduit à une mauvaise performance, à une réduction de la durée de vie des batteries et à une augmentation des besoins en maintenance ou en remplacement. Le refroidissement liquide évite ces problèmes en assurant et en maintenant une température constante.
Pourquoi le refroidissement précis est-il bénéfique pour les batteries ?
En empêchant la température des batteries de dépasser le seuil optimal, le refroidissement précis prolonge la durée de vie des batteries et aide celles-ci à conserver leur capacité utilisable. Ainsi, les batteries refroidies à liquide ont une durée de vie de 20 ans, tandis que les batteries refroidies à l’air n’ont qu’une durée de vie de 10 à 12 ans.
Quelle est l’importance de l’atténuation de la propagation thermique en ce qui concerne la sécurité des batteries ?
L'atténuation de la réaction thermique incontrôlée joue un rôle important dans la sécurité des batteries, car elle limite la propagation rapide de la chaleur et des incendies dans les systèmes de batteries. Les systèmes intégrés de refroidissement diélectrique et de détection active d’incendie réduisent le temps de propagation de la chaleur et atténuent les dommages.