Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) peuvent-ils améliorer la stabilité des systèmes électriques hors réseau ?

Fondamentaux des BESS pour la stabilité hors réseau

Pourquoi les systèmes hors réseau sont-ils vulnérables ? Absence d’inertie du réseau et capacité limitée de maintien en service en cas de défaut

Les systèmes autonomes par rapport au réseau ne disposent pas du même type d'inertie rotatoire que celle fournie par les gros alternateurs tournants présents dans les réseaux électriques conventionnels. Cette inertie joue un rôle d'amortisseur pour le système, contribuant à maintenir la stabilité en cas de variations soudaines de la demande ou de chute inattendue de la production. Lorsque ce tampon naturel fait défaut, de petits problèmes peuvent rapidement échapper à tout contrôle, provoquant des variations dangereusement rapides de la fréquence. Ce qui aggrave encore la situation, c'est que de nombreux systèmes hors réseau éprouvent des difficultés en matière de capacité de maintien en service en cas de défaut (« fault ride through »). Les protocoles de sécurité standard ont tendance à arrêter les onduleurs ou à couper l'alimentation de certaines charges dès qu'une chute de tension ou une fluctuation brève de la fréquence se produit, plutôt que de maintenir le fonctionnement du système aussi longtemps que possible. Cela devient particulièrement problématique dans les zones reculées, où aucune source d'énergie alternative n'est disponible à proximité. En conséquence, ces petites perturbations se transforment souvent en coupures complètes d'alimentation. En raison de toutes ces faiblesses intrinsèques, des mesures de stabilisation spécifiques doivent être intégrées dès la conception, afin d'assurer, à long terme, la fiabilité et la robustesse des opérations hors réseau.

Fonctionnalités essentielles des systèmes de stockage d’énergie (BESS) : réponse rapide, flux de puissance bidirectionnel et décalage temporel de l’énergie

Les systèmes BESS résolvent ces problèmes de trois manières principales qui font réellement la différence. La première chose à noter est leur rapidité de réaction : dans la plupart des cas, leur temps de réponse est inférieur à 100 millisecondes. Cette rapidité leur permet d’injecter ou d’absorber instantanément de la puissance dès que la fréquence commence à dévier de sa valeur nominale, empêchant ainsi toute instabilité du système avant qu’elle ne devienne critique. Une autre caractéristique clé est leur capacité à transférer l’énergie dans les deux sens : le passage continu et fluide entre les modes de charge et de décharge en temps réel contribue à équilibrer les fluctuations des sources d’énergie renouvelable avec les besoins changeants des consommateurs. Enfin, il convient de mentionner la possibilité de stocker l’énergie excédentaire produite par les panneaux solaires ou les éoliennes pendant les périodes où la demande en électricité est faible. Cette énergie stockée s’avère particulièrement utile pendant les heures de pointe ou lorsque le vent ne souffle pas et que le soleil ne brille pas. Selon certaines recherches récentes menées en 2023 par le Microgrid Institute, en collaboration avec le NREL, cette approche permet de réduire l’utilisation des groupes électrogènes diesel de l’ordre de 30 à 50 % dans les communautés isolées dotées de leurs propres micro-réseaux.

Stabilisation de la fréquence et de la tension pilotée par un système de stockage d’énergie (BESS)

Inertie synthétique et commande par pente : Compensation des micro-réseaux dominés par des onduleurs

Les micro-réseaux basés sur des onduleurs deviennent de plus en plus répandus, notamment dans les zones où les énergies renouvelables dominent les installations hors réseau. Ces systèmes ne possèdent pas l’inertie rotative naturelle propre aux réseaux traditionnels, ce qui les rend particulièrement vulnérables aux variations soudaines de fréquence en cas de déséquilibre entre la puissance générée et la puissance consommée. Les systèmes de stockage d’énergie par batteries (SSEB) contribuent à résoudre ce problème en imitant ce que l’on appelle l’inertie synthétique. En pratique, l’électronique de puissance détecte ces variations de fréquence — appelées taux de variation de fréquence (RoCoF) — puis injecte ou absorbe de la puissance dans le système extrêmement rapidement, réduisant ainsi le taux RoCoF de plus de moitié par rapport aux systèmes dépourvus de cette régulation. Il existe également une technique appelée contrôle à pente (droop control), qui permet à différentes sources d’énergie de répartir automatiquement la charge. Lorsque la fréquence diminue, les batteries libèrent de l’énergie stockée afin de stabiliser le réseau ; lorsqu’il y a un excédent de puissance, elles l’absorbent au lieu de le laisser se dissiper. L’ensemble de ces fonctionnalités agit collectivement comme le feraient des machines synchrones classiques, assurant un fonctionnement stable même en cas de déclenchement soudain d’un générateur ou de variation brutale de la charge, le tout sans nécessiter, dans la plupart des cas, une intervention manuelle.

Soutien dynamique de la puissance réactive et régulation active de la tension via le système de gestion des batteries (BESS)

L'instabilité de la tension continue de nuire à de nombreux systèmes hors réseau qui dépendent fortement de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire. Les régulateurs de tension traditionnels ne sont tout simplement pas conçus pour gérer les variations rapides auxquelles ces systèmes sont soumis. Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS), couplés à des systèmes sophistiqués de gestion de l'énergie (EMS), résolvent efficacement ce problème. Ces systèmes fournissent un soutien dynamique en puissance réactive, fonctionnant indépendamment du flux de puissance normal. L'EMS surveille en permanence l'état du réseau et peut déployer instantanément des puissances réactives capacitives ou inductives afin de corriger des problèmes tels que les chutes ou les pics de tension, ou encore des formes d'onde anormales. Lors de baisses soudaines de la production solaire ou de rafales de vent intenses, le système compense la puissance réactive. Il filtre également les harmoniques indésirables et s'ajuste automatiquement pour maintenir la tension stable à environ ±2 % de sa valeur nominale, sans nécessiter le démarrage de groupes électrogènes diesel de secours. Selon les rapports du comité Microgrid de l'IEEE PES, ces fonctionnalités permettent de réduire d'environ 70 % les coupures de courant liées à des problèmes de tension. Par ailleurs, la stabilité ainsi assurée prolonge la durée de vie des équipements sensibles, qui ne subissent plus les contraintes engendrées par des fluctuations constantes.

Résilience opérationnelle : du lissage de pointe au redémarrage après une coupure totale

Équilibrage de charge et évitement des groupes électrogènes diesel grâce à une gestion intelligente des systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS)

Lorsque la production d'énergie renouvelable varie fortement et que la demande d'électricité fluctue de façon imprévisible, cela crée de véritables problèmes pour les systèmes hors réseau, en particulier ceux qui dépendent encore fortement des groupes électrogènes diesel pour l’alimentation de secours. Les systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS) résolvent ces problèmes à l’aide d’algorithmes intelligents capables de prédire le moment optimal pour stocker ou libérer de l’énergie, ce qui permet d’aplanir ces courbes de charge très instables d’environ 60 à même 80 % par rapport à ce qui se produit en leur absence. Ces systèmes absorbent l’électricité excédentaire produite par les panneaux solaires ou les éoliennes lorsqu’elle est abondante, puis la réinjectent dans le réseau lorsque la demande connaît un pic. Cela signifie que les entreprises n’ont plus besoin de maintenir leurs coûteux groupes électrogènes diesel en marche en continu uniquement pour assurer une stabilité du niveau d’alimentation électrique. Une entreprise minière a ainsi vu sa facture annuelle de carburant diminuer d’environ 700 000 dollars après l’installation de BESS, tout en réduisant le temps de fonctionnement de ses moteurs diesel à seulement 8 % de ce qu’il était auparavant, tout en maintenant sans interruption le bon déroulement de ses opérations essentielles. La capacité de suivre en temps réel la consommation d’énergie et d’ajuster les plannings en conséquence permet également de limiter fortement la fréquence de démarrage et d’arrêt des groupes électrogènes, ce qui prolonge effectivement leur durée de vie et garantit la disponibilité d’une puissance de secours suffisante en cas de défaillance sur une période prolongée.

Capacité de démarrage à froid : restauration des infrastructures critiques hors réseau sans aide externe

Les systèmes hors réseau peuvent parfois tomber complètement en panne, mais les systèmes de stockage d’énergie par batteries (SSEB) offrent une fonctionnalité particulière appelée capacité de démarrage autonome après une coupure totale. Ces systèmes sont capables de rétablir l’alimentation électrique d’infrastructures essentielles entièrement de manière autonome, sans nécessiter l’aide du réseau extérieur ni le démarrage manuel de groupes électrogènes. Les unités diesel traditionnelles exigent de nombreuses étapes, telles que l’amorçage du carburant, le démarrage des moteurs et la synchronisation correcte de l’ensemble. Les SSEB évitent toutes ces complications et fournissent une tension et une fréquence stables presque instantanément, ce qui permet de redémarrer les contrôleurs de micro-réseau et de rétablir progressivement l’alimentation des charges prioritaires. Prenons un exemple concret dans un hôpital éloigné des grandes villes : après une coupure totale, le SSEB a remis en service les lampes chirurgicales et les systèmes de soutien vital en seulement 28 secondes. Comment cela fonctionne-t-il ? Le processus commence par la réinitialisation des communications de commande, puis alimente ce que l’on appelle les charges essentielles (généralement inférieures à 10 % de la capacité totale). Enfin, il remet en service les moyens de production locaux. Les modèles récents de SSEB intègrent des fonctionnalités telles que des circuits préchargés, une détection intégrée de fonctionnement en îlotage et des micrologiciels renforcés, ce qui garantit leur fiabilité même en cas de décharge profonde. L’ensemble de ces améliorations réduit considérablement la dépendance aux livraisons de carburant et abaisse drastiquement les temps de redémarrage, passant de plusieurs heures à un maximum d’environ deux minutes.

Section FAQ

C'est quoi le BESS?

Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (SSEB) sont des technologies permettant de stocker de l'énergie pour une utilisation ultérieure, contribuant ainsi à stabiliser les réseaux d'approvisionnement électrique et à équilibrer la demande avec la production.

Pourquoi les systèmes hors réseau sont-ils vulnérables ?

Les systèmes hors réseau manquent d'inertie du réseau et éprouvent souvent des difficultés à maintenir leur fonctionnement en cas de défaut (capacité de « ride-through »), ce qui entraîne fréquemment des instabilités et des coupures de courant.

Comment les SSEB contribuent-ils à la stabilisation des systèmes hors réseau ?

Les SSEB offrent une réponse rapide, un flux de puissance bidirectionnel et un décalage temporel de l'énergie, ce qui aide à stabiliser la fréquence et la tension, et réduit la dépendance aux groupes électrogènes diesel.

Quelle est la capacité de démarrage à froid (« black start ») ?

La capacité de démarrage à froid (« black start ») désigne la capacité des SSEB à rétablir de manière autonome l'alimentation électrique d'infrastructures critiques hors réseau, sans aucune assistance externe.