Systèmes de stockage d'énergie par batterie à refroidissement liquide ou à refroidissement par air : comment faire son choix ?
Les projets de stockage d'énergie par batterie deviennent de plus en plus exigeants. Les sites commerciaux et industriels recherchent des solutions de lissage des pics de consommation, d’alimentation de secours, d’autoconsommation solaire, de recharge des véhicules électriques et de services de réseau toujours plus réactifs, le tout à partir d’équipements devant fonctionner en toute sécurité pendant des années. L’architecture de refroidissement à l’intérieur du système mérite donc la même attention que les cellules de batterie, l’onduleur, la protection contre les incendies et le logiciel de gestion de l’énergie.
Le choix principal se pose souvent entre un système de stockage d'énergie par batterie à refroidissement liquide et un BESS à refroidissement par air. Le refroidissement par liquide permet un contrôle plus homogène de la température et favorise les configurations compactes à haute puissance, tandis que le refroidissement par air offre une architecture plus simple et facilite l’accès pour la maintenance dans certaines applications. Aucune de ces deux approches n’est universellement supérieure. Le choix approprié dépend des besoins en puissance et en énergie, des conditions ambiantes, du cycle de fonctionnement, de la conception du boîtier, de la stratégie de maintenance et de la manière dont le système de stockage d’énergie (ESS) est intégré dans son ensemble.
Pourquoi la gestion thermique des batteries est-elle importante dans la conception des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) ?
Les cellules de batterie génèrent de la chaleur lors de la charge et de la décharge. La quantité de chaleur produite dépend du courant, de la composition chimique de la cellule, de la résistance interne, de l'état de charge, de la température de fonctionnement et du profil de puissance requis. Un système de gestion thermique de la batterie (BTMS) évacue ou répartit cette chaleur et contribue à maintenir la batterie dans sa plage de fonctionnement prévue.
La gestion thermique n'est pas seulement une question de confort ou d'efficacité. Les écarts de température entre les cellules peuvent entraîner un vieillissement inégal, une diminution de la capacité disponible et des limitations de fonctionnement imposées par le système de gestion de la batterie. Un système bien conçu vise à maintenir des températures contrôlées au niveau des modules et des racks, tout en coordonnant les capteurs, les pompes ou les ventilateurs, les commandes, les alarmes, le système CVC et la logique d'arrêt de sécurité.
Le contexte général du marché explique pourquoi cette question technique revêt une telle importance. L’Agence internationale de l’énergie a indiqué que les déploiements de systèmes de stockage par batterie dans le secteur de l’électricité avaient plus que doublé d’une année sur l’autre en 2023, avec une augmentation de 42 GW à l’échelle mondiale, et considère les batteries comme une source importante de flexibilité à court terme pour les réseaux électriques modernes.[1] À mesure que de plus en plus de projets combinent production d’énergie renouvelable, charges importantes et réponse rapide, la conception thermique s’inscrit désormais au cœur des discussions sur la bancabilité et l’exploitabilité, et non plus comme un élément secondaire.
Fonctionnement d'un système BESS à refroidissement par air
Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) à refroidissement par air utilise des ventilateurs et des échangeurs de chaleur ; en général, de l'air conditionné circule à l'intérieur de l'armoire contenant les batteries ou autour des modules de batterie. Selon sa conception, le système peut recourir à une ventilation forcée, à une climatisation au niveau de l'armoire ou à une combinaison de ventilation et de système CVC. L'objectif est de transférer la chaleur des cellules vers l'air ambiant, puis de l'évacuer à l'extérieur de l'armoire.
Le refroidissement par air est bien connu de nombreux intégrateurs et peut s’avérer intéressant lorsque la puissance est modérée, que le boîtier dispose d’un espace suffisant pour les voies de circulation d’air et que l’environnement du site est maîtrisable. Il permet d’éviter les circuits de liquide, les pompes, la gestion de la qualité du liquide de refroidissement et les considérations associées à la détection des fuites. Cependant, la circulation d’air doit être soigneusement conçue. La position dans le rack, l'espacement des modules, les filtres, les courbes de fonctionnement des ventilateurs, les conduits et la recirculation peuvent tous influer sur la capacité à refroidir correctement les zones les plus chaudes.
Le refroidissement par air implique également la présence de pièces mobiles et soulève des questions acoustiques. Les ventilateurs peuvent générer un bruit perceptible, en particulier lorsque le système fonctionne à plein régime dans un environnement chaud. La poussière, le pollen, le sel et d'autres contaminants peuvent endommager les filtres et les échangeurs thermiques si le boîtier et le plan d'entretien ne sont pas adaptés au site.
Fonctionnement d'un système ESS à refroidissement liquide
Un système de stockage d'énergie (ESS) à refroidissement liquide transfère la chaleur via une boucle de refroidissement reliée à des plaques froides, des panneaux de refroidissement ou d'autres interfaces thermiques situées à proximité des modules de batterie. Cette boucle comprend généralement un échangeur de chaleur ou un groupe frigorifique, des pompes, des vannes, des capteurs, des dispositifs de commande et un circuit de refroidissement. La configuration exacte varie en fonction de l’architecture du système et doit être évaluée dans le cadre de la conception globale du système de stockage d’énergie en conteneur.
Un liquide présente une capacité de transfert thermique supérieure à celle de l'air dans un volume réduit, ce qui peut aider un système à évacuer la chaleur à proximité de la source. Grâce à une boucle correctement conçue, cette configuration permet de réduire les gradients de température au niveau des modules et des baies. Cette uniformité thermique est particulièrement importante lorsqu'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) à haute puissance est appelé à se charger et à se décharger à des cadences élevées ou à fonctionner de manière répétée par temps chaud.
En contrepartie, la complexité du système s'en trouve accrue. Un système de stockage d'énergie par batterie à refroidissement liquide nécessite de prêter attention à la fiabilité des pompes, à la compatibilité du liquide de refroidissement, aux joints d'étanchéité, à la tuyauterie, au comportement à la dilatation, à la détection des fuites, à l'isolation pour maintenance, aux commandes et à l'unité de dissipation thermique. Il s'agit là de problèmes techniques gérables, mais ils doivent faire l'objet d'une documentation, d'une mise en service et d'une maintenance, et ne peuvent être simplement ignorés.
Systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) à refroidissement liquide vs à refroidissement par air : tableau comparatif clair
La comparaison suivante constitue un cadre de référence pour la conception et ne prétend pas s'appliquer à tous les produits disponibles sur le marché. Les résultats réels dépendent de la composition chimique des cellules, de la disposition des racks, des commandes, des conditions ambiantes et de la conception globale du système par le fournisseur.
| Domaine d'évaluation | Système de stockage d'énergie par batterie à refroidissement liquide | BESS à refroidissement par air |
|---|---|---|
| Uniformité thermique | Cela permet d'assurer un transfert de chaleur à proximité de la source et des températures plus homogènes lorsque le circuit de refroidissement et les interfaces sont bien conçus. | Cela dépend fortement de la répartition du flux d'air, de la géométrie du boîtier, de la régulation des ventilateurs et de la distance entre les modules et les voies d'évacuation de la chaleur. |
| Densité de puissance | Ces solutions sont souvent bien adaptées aux configurations compactes et à haute puissance, car la chaleur peut être évacuée via un circuit thermique relativement court. | Un débit d'air plus important, un espacement accru ou une capacité de climatisation plus élevée peuvent s'avérer nécessaires à mesure que la charge thermique et la densité de puissance augmentent. |
| Énergie auxiliaire | Les pompes et les équipements de rejet de chaleur consomment de l'énergie auxiliaire ; le projet devrait évaluer leur fonctionnement sur toute la plage de températures ambiantes. | Les ventilateurs, les soufflantes et les équipements de climatisation consomment de l'énergie auxiliaire ; cette consommation varie en fonction de la résistance à l'écoulement d'air et de la température ambiante. |
| Maintenance | Nécessite l'inspection des pompes, du circuit de refroidissement, des vannes, des capteurs, des joints et des fonctions de détection des fuites, le cas échéant. | Nécessite l'inspection ou le remplacement des ventilateurs, des filtres, des conduits, des échangeurs de chaleur et des composants du système de climatisation, selon le cas. |
| Bruit | Le bruit des pompes et des refroidisseurs reste un facteur important, mais leur profil acoustique peut différer de celui des systèmes à ventilateurs à grande vitesse. | Le bruit des ventilateurs et des compresseurs peut être gênant à proximité des bâtiments commerciaux ou des limites de zones sensibles au bruit. |
| Conditions environnementales | Le boîtier, le fluide de refroidissement, la protection contre la corrosion, la gestion de la condensation et l'évacuation de la chaleur doivent être choisis en fonction du site. | La filtration, la protection contre les infiltrations, la lutte contre la corrosion, le dimensionnement des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), ainsi que l'exposition à l'air extérieur sont des éléments essentiels. |
| Intégration de systèmes | Ajoute des interfaces de boucle thermique aux commandes, aux équipements auxiliaires, aux alarmes, à la stratégie de lutte contre l'incendie et aux procédures de mise en service. | Cela se traduit généralement par une interface thermique plus simple, mais la gestion des flux d'air et du système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) doit tout de même être intégrée aux systèmes de gestion de la batterie (BMS), de gestion électronique (EMS) et aux commandes de sécurité. |
| Tendance d'ajustement optimal | Souvent envisagés pour des applications à forte puissance, à haute densité ou présentant des contraintes thermiques élevées. | Cette solution est souvent envisagée lorsque les charges, le climat, l'espace disponible et les conditions d'exploitation permettent d'opter pour un circuit d'air plus simple. |
Pourquoi le refroidissement par liquide est-il pertinent pour les systèmes de stockage d'énergie (ESS) conteneurisés à haute puissance ?
Un système de stockage d'énergie conteneurisé regroupe de nombreux racks de batteries, des composants de conversion de puissance, des dispositifs de commande et des systèmes de sécurité dans un encombrement réduit. L’augmentation de la puissance nominale ou de la fréquence des cycles rend d’autant plus importante l’évacuation constante de la chaleur de la zone des batteries. Le refroidissement par liquide est particulièrement adapté dans ce contexte, car un circuit de refroidissement distribué permet d’assurer un contrôle thermique plus proche des modules, favorisant ainsi une répartition homogène de la température sans avoir à recourir à d’importants volumes d’air circulant dans toutes les parties du conteneur.
Cela ne signifie pas pour autant que le refroidissement par liquide garantit automatiquement un meilleur projet. Le conteneur doit tout de même disposer d’interfaces thermiques adaptées, de systèmes de contrôle, d’un accès pour la maintenance, d’une architecture d’alimentation auxiliaire, d’une coordination en matière de sécurité incendie et d’un système d’évacuation de la chaleur adapté au climat. Un système de refroidissement par liquide mal intégré peut s’avérer moins intéressant qu’un système de refroidissement par air bien conçu. À l’inverse, opter pour un refroidissement par air dans une installation dense et soumise à des cycles fréquents sans vérifier le débit d’air et le comportement de déclassement peut entraîner des contraintes d’exploitation qui auraient pu être évitées.
Les catégories de produits proposées par DAXIN ENERGY comprennent les systèmes de stockage d'énergie à usage commercial et industriel, les systèmes de stockage d'énergie en conteneurs à refroidissement liquide, les armoires de stockage d'énergie pour l'extérieur, les packs de batteries haute densité et les armoires de batteries.[2] Ses solutions couvrent les systèmes de stockage d’énergie (ESS) commerciaux et industriels, les installations combinant énergie solaire et stockage, les solutions de recharge de véhicules électriques associées à un ESS, l’alimentation de secours pour centres de données et le stockage d’énergie à l’échelle des réseaux électriques.[3] Ces catégories montrent pourquoi le choix du système de refroidissement doit être envisagé dans le contexte global de l’application plutôt que comme un simple choix de composant isolé.
Critères de sélection pour les projets commerciaux et industriels
1. Commencez par le cycle de service, et pas seulement par les données figurant sur la plaque signalétique
Définissez la puissance de charge et de décharge requise, la durée prévue, le nombre de cycles quotidiens, la vitesse de variation, les périodes de veille et le profil de fonctionnement saisonnier. Un système utilisé pour une alimentation de secours occasionnelle peut présenter un profil thermique différent de celui d’un système destiné à l’écrêtement quotidien des pics de consommation, à la réponse à la demande ou à la recharge rapide de véhicules électriques. Demandez au fournisseur de vous montrer comment les contrôles thermiques se comportent dans l’ensemble de la plage de fonctionnement réelle.
2. Évaluer les conditions climatiques du site et les conditions de confinement
Noter la plage de température ambiante prévue, l'exposition au soleil, l'humidité, l'altitude, la présence de poussière et de sel, les conditions de ventilation disponibles ainsi que les limites sonores. Les équipements installés à l'extérieur peuvent être soumis à des conditions très différentes de celles d'un local électrique intérieur propre. Les performances thermiques doivent être évaluées en tenant compte de la protection contre les infiltrations, de la prévention de la condensation, de la protection contre la corrosion et de l'accès pour la maintenance.
3. Comparer les besoins totaux en énergie auxiliaire et en services
Ne vous contentez pas de comparer uniquement les composants de refroidissement liés à la batterie. Examinez les ventilateurs, les pompes, les refroidisseurs, les compresseurs, les réchauffeurs, les systèmes de commande et la consommation en veille sur une année représentative. Comparez ensuite la fréquence de remplacement des filtres, les contrôles du liquide de refroidissement, le remplacement des pompes ou des ventilateurs, la disponibilité des pièces de rechange et les compétences requises pour l'intervention sur site. Ces détails opérationnels ont une incidence sur le coût du cycle de vie et la disponibilité.
4. Définir les responsabilités en matière d'intégration des systèmes
Le système thermique doit communiquer avec le système de gestion du bâtiment (BMS), le système de gestion de l’énergie, le système de conversion de puissance, les commandes CVC, le système de détection d’incendie et le système SCADA du site, le cas échéant. Préciser quelle entité est responsable des alarmes, des points de consigne, des verrouillages, de la surveillance à distance, de la coordination des micrologiciels et de la logique d’arrêt d’urgence. Les schémas d'intégration et les documents décrivant les relations de cause à effet doivent être examinés avant la commande des équipements.
5. Adapter l'architecture thermique aux futures extensions
Si le projet prévoit d’ajouter des baies, d’augmenter le taux d’utilisation ou de combiner ultérieurement l’énergie solaire et la recharge des véhicules électriques, demandez si les systèmes de refroidissement et les systèmes auxiliaires sont capables de prendre en charge l’extension envisagée. L’extension n’est pas garantie simplement parce qu’il existe une capacité électrique disponible ; la capacité thermique, la logique de commande, l’espace disponible et l’évacuation de la chaleur peuvent également constituer des contraintes.
Questions à poser avant la remise des clés
Un processus de mise en service rigoureux permet de transformer le choix du système de refroidissement en critères d'acceptation mesurables. Les équipes de projet doivent se poser les questions suivantes :
- Quelles sont les limites d'uniformité de température et les procédures de validation des capteurs qui s'appliquent aux différents modules, racks et états de fonctionnement ?
- Que se passe-t-il lorsqu'un ventilateur, une pompe, un refroidisseur, un capteur, une vanne, un filtre ou une liaison de communication tombe en panne ?
- Quelles sont les charges auxiliaires en mode veille, en fonctionnement normal, en conditions ambiantes de pointe et à la puissance maximale demandée ?
- Quelles alarmes déclenchent une réduction de la puissance, un arrêt contrôlé ou une mise hors tension d'urgence ?
- Comment les fuites de liquide de refroidissement, les débits insuffisants, les filtres obstrués, les températures excessives et la condensation sont-ils détectés et enregistrés ?
- Le système a-t-il été testé dans les conditions ambiantes, d'humidité, de bruit et de fonctionnement du réseau prévues sur le site, ou certains résultats reposent-ils uniquement sur des essais en usine ?
- Quelles sont les tâches d'entretien qui incombent au propriétaire, et lesquelles nécessitent l'intervention d'un prestataire de services agréé ?
- Les alarmes thermiques sont-elles visibles dans le système SCADA du site ou sur la plateforme de télésurveillance, avec des horodatages clairs et un historique des événements ?
- Les interfaces du système de gestion du bâtiment (BMS), du système de contrôle des processus (PCS), du système de gestion des urgences (EMS), du système CVC, du système de sécurité incendie et du système d'intervention d'urgence ont-elles été testées conjointement plutôt que séparément ?
- Quels documents seront fournis, notamment les plans de fin d'ouvrage, les points de consigne, les rapports de mise en service, les fréquences d'entretien, les listes de pièces de rechange et les procédures de dépannage ?
Conclusion pratique : choisissez l'architecture adaptée au projet
La différence entre un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) à refroidissement par liquide et un BESS à refroidissement par air ne se résume pas simplement à une opposition entre “ avancé ” et “ basique ”. Le refroidissement par liquide peut s’avérer particulièrement intéressant pour les applications ESS conteneurisées à haute puissance, haute densité, à cycles fréquents ou présentant des défis thermiques, car il permet un transfert de chaleur plus proche de la batterie et favorise des conditions thermiques plus homogènes. Le refroidissement par air peut rester une option judicieuse lorsque le cycle de fonctionnement, le climat, la configuration du boîtier, l’environnement acoustique et les ressources de maintenance rendent son architecture appropriée.
Le choix final doit donc reposer sur une comparaison documentée des performances thermiques, de la densité de puissance, de la consommation d'énergie auxiliaire, des besoins en maintenance, du niveau sonore, des conditions environnementales et de l'intégration au système. Demandez des informations de conception spécifiques à votre application plutôt que de vous fier à une fiche technique générique. Pour découvrir les catégories de produits de stockage d'énergie de DAXIN ENERGY, rendez-vous sur le site Page des produits DAXIN ENERGY; pour le contexte de l'application, voir sa Page « Solutions ». Une fois que le projet a défini ses besoins en matière d'alimentation électrique, d'énergie, de climatisation et d'exploitation, les équipes peuvent utiliser le Page de demande de renseignements DAXIN afin de discuter de l'architecture système appropriée sans présumer d'un cahier des charges avant l'examen technique.
Références
[1] Agence internationale de l'énergie, “ Batteries et transitions énergétiques sûres — Résumé ” (2024)