Guide de dimensionnement BESS : comment calculer la puissance, l'énergie et l'autonomie de la batterie
Les projets de systèmes de stockage d'énergie par batterie échouent souvent dès la phase de planification, pour une raison simple : la batterie est caractérisée par un seul chiffre, alors que le projet dépend en réalité de plusieurs. Dimensionnement du BESS doit tenir compte de la puissance, de l'énergie, de la durée de décharge, de la capacité utile, du rendement, de la dégradation, des conditions de fonctionnement et de l'évolution de la charge dans le temps.
Ce guide explique comment déterminer la capacité des systèmes de stockage d'énergie par batterie destinés aux installations commerciales et industrielles, aux projets d'énergie renouvelable, aux centres de données, aux stations de recharge pour véhicules électriques, aux applications de télécommunications et aux systèmes à grande échelle. Il est destiné à la phase initiale de planification des projets et aux discussions techniques. L'exemple chiffré est le suivant : à titre indicatif uniquement; il ne s'agit ni d'une garantie, ni d'un devis, ni d'une fiche technique de produit de DAXIN ENERGY.
Pourquoi le dimensionnement d'un système BESS commence par l'application
Le choix du système approprié dépend des fonctions que doit remplir l'installation de stockage. L'écrêtement des pics de consommation peut nécessiter une puissance de décharge élevée pendant un court laps de temps, tandis que le décalage des énergies renouvelables peut exiger davantage d'énergie pendant plusieurs heures. La planification de l'alimentation de secours peut se concentrer sur les charges critiques et le temps de transfert, tandis que la régulation de fréquence peut impliquer des cycles répétés de charge et de décharge de courte durée.
L'Agence internationale de l'énergie considère le stockage par batterie comme une technologie d'énergie propre en pleine expansion et souligne son rôle dans la flexibilité du réseau électrique et l'intégration des énergies renouvelables à production variable. 1. Cette croissance rend la définition rigoureuse des projets d'autant plus importante, et non l'inverse. Un système surdimensionné en énergie mais sous-dimensionné en puissance risque de ne pas pouvoir gérer un pic de demande. Un système dont l'énergie nominale est adéquate mais dont l'énergie utilisable est insuffisante risque de ne pas couvrir la plage de fonctionnement requise.
Les catégories de solutions proposées par DAXIN ENERGY comprennent les systèmes de stockage d'énergie (ESS) commerciaux et industriels destinés à l'écrêtement des pics de consommation, à la réponse à la demande et à l'alimentation de secours ; les solutions « solaire + stockage » pour l'intégration photovoltaïque et l'autoconsommation ; la recharge de véhicules électriques associée à un ESS pour l'équilibrage de charge ; l'alimentation de secours pour les centres de données ; les solutions énergétiques pour les télécommunications ; et le stockage d'énergie à l'échelle des réseaux. Sa gamme de produits comprend des systèmes de stockage d'énergie, des armoires de batteries, des systèmes de batteries au lithium et des solutions d'alimentation associées. Ces catégories illustrent pourquoi le dimensionnement doit être lié à un objectif opérationnel défini plutôt que d'être choisi uniquement à partir d'une référence de catalogue.
Pour connaître le contexte du projet, consultez le document de DAXIN intitulé solutions de stockage d'énergie et produits destinés aux systèmes de stockage d'énergie avant de préparer une demande d'informations techniques.
Les quatre chiffres que toute étude de dimensionnement BESS doit distinguer
La puissance et l'énergie sont liées, mais elles ne sont pas interchangeables. La durée est calculée à partir de ces deux grandeurs, tandis que la capacité utile adapte l'énergie nominale en fonction des limites de fonctionnement, telles que la profondeur de décharge.
| Système métrique | Unité type | Ce que cela signifie | Question principale concernant le dimensionnement |
|---|---|---|---|
| Puissance nominale | kW ou MW | Puissance maximale instantanée de charge ou de décharge | Quelle charge ou quelle puissance du réseau le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) doit-il prendre en charge simultanément ? |
| Capacité énergétique | kWh ou MWh | Énergie électrique stockée dans les conditions indiquées | Quelle quantité d'énergie doit être fournie ou absorbée ? |
| Autonomie de la batterie | Horaires | Durée approximative à un niveau de puissance donné | Pendant combien de temps le BESS doit-il maintenir la puissance de sortie cible ? |
| Capacité utile | kWh ou MWh | Énergie disponible dans la plage de fonctionnement spécifiée | Quelle part de la capacité nominale le projet peut-il réellement exploiter ? |
Puissance nominale : kW et MW
La puissance nominale correspond au débit auquel le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) peut se charger ou se décharger. Un mégawatt équivaut à 1 000 kilowatts. Le dimensionnement de la puissance dépend de la charge nette maximale, de la réduction de pointe souhaitée, de la puissance nominale de l'onduleur, de la vitesse de montée en puissance et de toute limite liée au raccordement au réseau.
Pour l'écrêtement des pics de consommation, la puissance requise lors du premier passage peut s'exprimer comme suit :
Puissance requise du BESS = demande du site cible − demande autorisée sur le réseau
Il ne s'agit là que d'une équation indicative. La valeur finale doit tenir compte des charges simultanées, de la réponse des systèmes de commande, de la marge de l'onduleur, des besoins en puissance réactive, ainsi que de la nécessité éventuelle de recharger le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) pendant que d'autres équipements fonctionnent.
Capacité énergétique : kWh et MWh
La capacité énergétique correspond à la quantité d'électricité stockée. Un mégawattheure équivaut à 1 000 kilowattheures. Une installation peut avoir besoin d’une puissance de 500 kW pendant une heure, ce qui correspond à 500 kWh d’énergie fournie dans des conditions idéales, mais les conceptions réelles doivent prévoir une capacité supplémentaire pour compenser les pertes de rendement, constituer une réserve d’énergie, tenir compte de la température, de la dégradation et du niveau de décharge choisi.
Une relation utile à retenir dans un premier temps est la suivante :
Énergie nominale requise ≈ énergie fournie requise ÷ (profondeur de décharge × rendement aller-retour ou rendement du trajet de décharge × facteur de fin de vie)
L'équation exacte dépend de la base de calcul retenue : énergie fournie côté courant alternatif, énergie de la batterie côté courant continu, rendement de décharge unidirectionnel ou rendement aller-retour. Ces limites doivent être précisées dans les principes de conception.
Durée : le lien entre la puissance et l'énergie
L'autonomie de la batterie est généralement estimée comme suit :
Durée (heures) = capacité énergétique (kWh) ÷ puissance (kW)
Un système de 1 000 kWh délivrant 500 kW a une autonomie nominale de deux heures. Toutefois, cette affirmation est incomplète si elle ne précise pas si les 1 000 kWh correspondent à la capacité nominale ou à l'énergie utilisable, et si la puissance est mesurée au niveau des bornes CC de la batterie ou au niveau du raccordement CA sur site.
Capacité utile, profondeur de décharge et rendement
Profondeur de décharge (DoD) Il s'agit du pourcentage de l'énergie nominale de la batterie utilisé intentionnellement au cours d'un cycle. Si un système dispose d'une énergie nominale de 1 000 kWh et fonctionne à un taux de décharge (DoD) de 80%, l'énergie idéale comprise dans la plage de fonctionnement autorisée est de 800 kWh, avant prise en compte des autres pertes. Un projet peut opter pour un taux de décharge (DoD) inférieur afin de préserver la capacité de réserve, de respecter les conditions de garantie ou de prolonger la durée de vie de l'installation.
Le rendement aller-retour décrit l'énergie restituée après un cycle complet de charge et de décharge par rapport à l'énergie consommée pour la charge. Il inclut les pertes de conversion et les pertes du système, mais la valeur publiée peut être définie selon différentes limites. Pour un calcul lié à l'alimentation d'une charge, le chiffre pertinent peut plutôt être le rendement du parcours de décharge, c'est-à-dire de l'énergie CC stockée à l'énergie CA fournie. N’insérez pas une valeur de rendement aller-retour dans une équation unidirectionnelle sans vérifier la définition du test fournie par le fabricant.
La capacité utile ne correspond donc pas simplement à la valeur indiquée sur l’étiquette du produit. Il s’agit de l’énergie disponible après prise en compte de la plage de fonctionnement autorisée, des pertes de conversion, de la consommation des équipements auxiliaires et de la réserve du projet. Les systèmes CVC, la gestion des batteries, les dispositifs de commande et les équipements de conversion d’énergie peuvent consommer de l’énergie qui n’est pas disponible pour la charge.
Analyse du profil de charge : la donnée la plus importante
Un modèle de dimensionnement d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) doit se fonder sur des données par intervalle plutôt que sur une facture mensuelle moyenne. Collectez des données de charge à intervalles d'au moins 15 minutes lorsque cela est possible, et utilisez des intervalles plus courts lorsque des pics de consommation rapides ou des événements de contrôle sont déterminants. Pour un projet combinant énergie solaire et stockage, incluez les données de production photovoltaïque ou un modèle de production fiable. Pour la recharge des véhicules électriques, incluez les horaires des chargeurs, le temps d'arrêt des véhicules et la coïncidence entre la demande de recharge et la charge de l'installation.
L'analyste doit identifier la demande maximale, la durée de chaque pic, les tendances quotidiennes et saisonnières, les charges critiques, la charge minimale du site, les possibilités de recharge et toute contrainte d'exportation. Le tracé de la courbe de charge nette révèle souvent que le système requis est déterminé par un pic étroit plutôt que par la demande moyenne de l'installation.
Une comparaison utile consiste à mettre en évidence la différence entre transfert d'énergie et réduction des pics de consommation. Le transfert d'énergie est généralement limité par l'énergie totale qui doit être transférée d'une période à une autre. L'écrêtement des pics de consommation est quant à lui limité par l'ampleur et la durée du pic de demande. Une même installation peut nécessiter des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) de tailles différentes pour ces services.
Différence de dimensionnement des systèmes BESS : conception axée sur la puissance ou sur l'énergie
| Approche de conception | Contrainte principale | Question courante en matière de planification | Risque lié au dimensionnement courant |
|---|---|---|---|
| Dimensionnement en fonction de la puissance | Puissance instantanée maximale | Le système BESS est-il capable de couvrir la charge de pointe ou la charge critique requise ? | Une puissance suffisante en kW, mais une production insuffisante en kWh pour assurer le bon déroulement de l'événement |
| Dimensionnement en fonction des besoins énergétiques | Énergie totale transférée ou fournie | Le système BESS est-il capable d'assurer l'alimentation quotidienne ou de servir de source d'énergie de secours ? | La production en kWh est suffisante, mais la puissance de l'onduleur est trop faible |
| Dimensionnement en fonction de la durée | Heures requises pour un rendement donné | Le système est-il en mesure d'assurer le service pendant la période indiquée ? | Durée calculée à partir des données figurant sur la plaque signalétique plutôt qu’à partir de l’énergie utile |
| Dimensionnement basé sur le cycle de vie | Performances en fin de vie | L'actif répondra-t-il aux exigences après la dégradation prévue ? | Le dimensionnement initial est satisfaisant, mais la capacité utile future s'avère insuffisante |
Cette distinction revêt une importance particulière lorsqu'on compare des gammes de produits. Même si une armoire ou un conteneur présente une combinaison kW/kWh indiquée, l'équipe de projet doit tout de même vérifier la température de fonctionnement, la profondeur de décharge (DoD) admissible, le mode de commande, la charge auxiliaire et les performances au point de fonctionnement requis.
Dégradation et conditions ambiantes
La dégradation des batteries entraîne une diminution progressive de leur capacité disponible. Un calcul rigoureux de la capacité d’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) doit distinguer la capacité initiale de la capacité requise à la fin de la période de conception. La dégradation dépend de la température, du vieillissement calendaire, de l’intensité des cycles de charge-décharge, de l’état de charge moyen, des débits de charge et de décharge, ainsi que de la stratégie d’exploitation. Le cahier des charges du projet doit préciser les performances requises ou les conditions de fin de vie, plutôt que de partir du principe que l'énergie nominale initiale reste constante.
Les conditions ambiantes ont également une incidence tant sur les performances que sur le choix des équipements. Des températures élevées ou basses peuvent modifier la capacité de charge des batteries, leur rendement et leur comportement au vieillissement. L’altitude du site, l’humidité, la poussière, l’exposition au sel, l’installation à l’intérieur ou à l’extérieur, ainsi que la consommation parasite du système CVC peuvent influencer la conception finale. La gestion thermique n’est pas un détail anodin : le modèle de dimensionnement doit tenir compte des conditions environnementales et de la configuration d’installation prévues sur le site.
Exemple concret : réduction des pics de consommation
Le calcul suivant est donné à titre indicatif uniquement et ne constitue en aucun cas une garantie, un devis ou une recommandation de configuration de produit de la part de DAXIN ENERGY.
Supposons qu'une installation présente une pointe de consommation mesurée de 1 200 kW et souhaite limiter son prélèvement sur le réseau à 900 kW. L’objectif de réduction est donc de 300 kW. Supposons que ce pic dure 2,5 heures, que le projet utilise un DoD de 85%, que le rendement estimé du chemin de décharge unidirectionnel soit de 92% et que la conception prévoie une marge de capacité en fin de vie de 10%.
- Puissance de sortie requise : 1 200 kW − 900 kW = 300 kW.
- Énergie fournie idéale : 300 kW × 2,5 heures = 750 kWh.
- Énergie nominale estimée avant prise en compte de la dépréciation en fin de vie : 750 ÷ (0,85 × 0,92) ≈ 958 kWh.
- Énergie nominale de conception avec une marge de sécurité de 10% : 958 ÷ 0,90 ≈ 1 064 kWh.
Un concept préliminaire pourrait donc être décrit comme ayant une puissance nominale d’environ 300 kW et une énergie nominale de 1,1 MWh, sous réserve de validation. Ce résultat devrait encore être confirmé au regard du profil de charge réel par intervalle, des limites des onduleurs, de la température, de la consommation des équipements auxiliaires, de la disponibilité de recharge, des règles du réseau, des exigences en matière de réserve et des données de performance fournies par le fabricant sélectionné. Il ne doit pas être présenté comme un résultat garanti.
Liste de contrôle pratique pour le dimensionnement d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS)
Avant de demander une configuration ou un devis, veuillez vous munir des informations suivantes :
- Définissez le service principal : lissage des pics de consommation, réponse à la demande, alimentation de secours, autoconsommation d'énergie solaire, soutien à la recharge des véhicules électriques, intégration des énergies renouvelables ou autre cas d'utilisation.
- Fournissez des données de charge par intervalle, couvrant de préférence des jours de semaine, des week-ends et des conditions saisonnières représentatifs.
- Indiquez la puissance, l'énergie, la durée, le temps de réponse et le programme de fonctionnement requis du côté courant alternatif.
- Identifier les charges critiques ainsi que la durée autorisée d'interruption ou de basculement pour les applications de secours.
- Précisez la réserve minimale d'état de charge et la profondeur de décharge prévue.
- Précisez si les exigences s'appliquent aux bornes CC de la batterie, aux bornes CA de l'onduleur ou au point de raccordement.
- Prendre en compte le rendement aller-retour, le rendement de refoulement, la charge auxiliaire et les hypothèses relatives à la gestion thermique.
- Indiquez la durée de vie nominale ainsi que la puissance et l'énergie utile requises en fin de vie.
- Notez la température ambiante, le taux d'humidité, l'altitude, l'emplacement d'installation et l'espace disponible.
- Vérifiez les exigences en matière de raccordement au réseau, d'exportation, de protection, de comptage et de contrôle auprès des parties concernées par le projet.
- Expliquez les différentes sources de recharge, notamment le réseau électrique, les installations photovoltaïques, les générateurs ou d'autres sources, et identifiez les créneaux de recharge.
- Demandez une étude spécifique à votre projet plutôt que de choisir un système en vous basant uniquement sur sa puissance nominale en kW ou sa consommation nominale en kWh.
Préparez la prochaine étape avec DAXIN ENERGY
Un dimensionnement précis du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) permet de transformer un objectif général de stockage en une base technique mesurable. Il convient de commencer par analyser le profil de charge, de distinguer la puissance de l'énergie, de calculer la durée d'autonomie à partir de la capacité utile plutôt que de la capacité nominale, puis de valider la conception au regard des exigences en matière de rendement, de profondeur de décharge (DoD), de dégradation, de température et de fin de vie.
DAXIN ENERGY propose des solutions pour le stockage d'énergie, les onduleurs (UPS), les batteries au lithium, les télécommunications, les secteurs commercial et industriel, les énergies renouvelables, la recharge des véhicules électriques, les centres de données et les applications à grande échelle. Si votre projet en est encore au stade de la planification, vous pouvez nous communiquer les informations relatives à l'application, les données de charge, la capacité visée, les conditions d'exploitation et l'état d'avancement du projet via le Page de demande de renseignements sur DAXIN ENERGY. Une analyse technique permet alors de déterminer quelles informations sont nécessaires pour une configuration spécifique au projet.
Références
Note de la rédaction : Tous les calculs numériques présentés dans cet article constituent des exemples de planification à titre illustratif. Ils ne constituent en aucun cas des garanties de la part de DAXIN ENERGY, des spécifications de produits, des devis, des garanties ou des engagements quant aux performances d'un projet.