DOSSIER Mots clés : Accumulateurs, Batteries, Réseaux

DOSSIER
Mots clés :
tilisation
des
batteries
industrielles
dans les grands reseaux e#*Iectriques L-de se
Pression
sur
les
prix,
Accumulateurs,
Batteries,
Réseaux
botte
éectr
électriques,
Ene
Energie
de secours.
concentration
de
la
production
par Patrick GAGNOL,
André MARQUET, Electricité de France, Direction des études et recherches,
Isabelle LAIDET, Electricité
de France, SEPTEM (Service des études et projets thermiques et nucléaires)
et André VASSEUR, Electricité de France, Exploitation du Parc nucléaire.
Dans
la production
d'électricité,
par
le stockage
accumulateurs
s'étendre,
des
la gestion
de
de
Les centrales électriques, postes et centres de distribution d'Electricité de France utilisent plus de
l'énergie
électrochimiques
progressivement
de
et la distribution
voit
ses applications
dispositifs
la qualité
de
secours
vers
et la régulation
cinq mille batteries industrielles. Les accumulateurs
au plomb et les batteries alcalines nickel-cadmium
sont utilisés pour des applications stationnaires de
secours, et, dans les centrales nucléaires,
partici-
pent au système qui garantit la fiabilité du contrôle du réacteur.
charge.
Cet article décrit les conditions d'utilisation des
batteries à EDF, les technologies qui leur sont
liées, les tests utilisés et les critères de conception.
Outre ces applications
INTRODUCTION
Les différentes centrales électriques, postes et centres de
distribution d'Electricité de France utilisent environ 5000
batteries industrielles. Celles-ci servent en tant qu'alimentations de secours en courant continu (ou alternatif au travers d'onduleurs) en cas de coupure de courant du réseau
de distribution
ou du générateur. Dans les centrales
de secours, EDF étudie
également le potentiel de futures applications des
batteries dans le domaine de l'énergie (stockage
de l'énergie de sources renouvelables) et la gestion de sa qualité (lissage de la demande).
nucléaires, elles font partie du système de protection qui
garantit la fiabilité du contrôle du réacteur. La protection
des ordinateurs et la communication sont deux autres applications importantes des batteries de secours. Ces utilisations stratégiques dans le système électrique d'EDF nécessitent de porter une attention particulière à l'évaluation
des
batteries, à leur sélection et à leur entretien. Cet article
décrit la situation actuelle des batteries industrielles pour
des applications de secours dans les systèmes électriques.
Des applications potentielles telles que le stockage
c d'énergie provenant de sources renouvelables ou des applications
sur le réseau sont également discutées.
BATTERIES
STATIONNAIRES
DE SECOURS
ÉLECTRIQUES
DANS
LES CENTRALES
Dans les centrales électriques, les batteries sont principalement utilisées pour des applications de secours. Elles
constituent une composante essentielle du système de sécurité et de fiabilité des centrales nucléaires. En cas de panne
du chargeur ou du réseau, les batteries permettent de mener
à bien les procédures d'arrêt du réacteur. Les batteries sont
conçues pour résister aux tremblements
de terre sans
conséquence sur leur fonctionnement. Toute centrale élec-
The eleclric power stations, substations and
transmission centers operated by Electricité de
France make use of more than five thousand
industrial batteries. Lead batteries and nickelcadmium batteries are used for stationary backup applications and form part, in nuclear power
stations, of the system that ensures reliability of
reactor control.
This article describes the conditions under which
EDF makes use of the batteries together with relevant technologies, tests and design criteria.
Other than back-up applications, EDF is studying
future applications for batteries in the area of
power supplies such as the storage of power derived from renewable sources, and in management
to regularise demand.
trique comporte des alimentations électriques en courant
continu pour couvrir les opérations liées à son contrôle.
Ces alimentations sont également utilisées en parallèle
comme chargeur de batteries (fig. 1, voir bibliographie [11).
Les chargeurs sont alimentés par le réseau auxiliaire ou en
Batteries
industrielles
k
et grands
Chargeur
AC
Batterie
Chargeur
!
!
1 déh.,g.
Utilisateurs
. Résistance
Utilisateurs
: décharge
a)
kk
DC Chargeur DC Chargeur- Batterie
Chargeur Chargeur
L Batterie L
DC = Batterie = DC
- -L- \-7- \ -
1 - - - $c
-1-l
-- iIl
11
1
U tilisateurs
11
Utilisateurs Résistance
1-1
décharge
Résistance
décharge
d)
c)
7. Configtarations d'alimeratatlon en
a) Un chargeur - une batterie - un jeu de barres.
b) Deux chargeurs
- tcne batterie - un jeu de barres.
c) Deux chargeurs - une batterie - deux demi-jeux de barres.
d) Deux chargeurs - detc.x- batteries
- un jeu de barres.
cas de panne par des générateurs
diesel de secours. En cas
d'urgence,
les batteries
alimentent
automatiquement
en
courant
continu
les principaux
dispositifs
« usagers »
(onduleurs,
ordinateurs,
systèmes
de contrôle
poste de commutation
extérieur,
et d'instru-
et de la batterie,
est l'un des principes
rité. Chaque dispositif
du fonctionnement
ou équipement,
et la protection
est doublé.
lés voies A et B, doivent
ner. A l'heure
actuelle
B sont équipées
NiCd afin d'éviter
ne
d'alimenta-
qui garantit
la fiabilité
du réacteur dans une cenindépendants,
être disponibles
appe-
et prêts à fonction-
dans les centrales
EDF, les voies A et
de batteries
toute panne générique
au plomb
compte environ
12 batteries au plomb et 5 à 6 batteries
NiCd. Les tensions nominales
vont de 24 V à 230 V, la
capacité
nominale
trale nucléaire
et
simultanée.
temps
l'heure
QUELQUES
centrales
quelques
électrique
Le tableau 1
dans une cen-
des contraintes
de service
et de fiabilité,
le
moyen
avant remplacement
des batteries
est à
actuelle de 8 à 10 ans pour les batteries au plomb et
de 13 à IS ans pour les batteries
NiCd.
bable
des accumulateurs
que la durée
actuels
de service
soit prolongée
dans le futur.
Mais
Depuis
il est fort proNiCd
le début de la
production
nucléaire en France (1977), 25 % des batteries
NiCd ont été remplacées.
Le taux de remplacement
des
batteries
au plomb
batteries
NiCd
est en cours d'évaluation.
(1174
éléments)
En 1994, 18
et 69 batteries
au plomb
ont été remplacées.
INDUSTRIELLES
ET CENTRALES
Les
« 1,2 V ») sont utilisées.
d'installation
de batterie
de 1 400 MW.
(4 280 éléments)
BATTERIES
de 40 Ah à 2000 Ah. Dans les centrales
(18 000 éléments
décrit un exemple
En raison
essentiels de la sécu-
Deux circuits
respectivement
tenu
des
de courant
en cas de panne sur le circuit
La redondance
trale nucléaire,
aucune coupure
CC dans les centrales électriques.
thermiques
et nucléaires,
environ 800 batteries tubulaires
au plomb (40 000 éléments « 2 V ») et 260 batteries NiCd
coupe-circuit,
démarrage du générateur diesel de secours...). Compte
du raccordement
au chargeur parallèle
et permanent
peut se produire
tion principal.
<* Résistance
7
b)
kk
$c
Chargeur -.. Batterie
/DC
rD CI
11Ré
1
-1
utilisateurs
électriques
k
rc7l
mentation,
réseaux
ÉLECTRIQUES
PROTECTION DU MATÉRIEL
:
INFORMATIQUE
CHIFFRES
électriques,
1 700 batteries
de secours.
à elles
industrielles
Dans
chaque
seules,
comme
tranche
utilisent
Les alimentations
alimentation
nucléaire,
on
les ordinateurs
sans interruption
empêchent
panne du réseau principal
(ASI)
qui protègent
les pertes de données
et évitent
en cas de
les dysfonctionnements
BATTERIES,
TaMëCM/. Tensioii
d'al i i-netitatioii
continue
STOCKAGE
ÉLECTROCHIMIQUE
Caractéristiques de la batterie d'une ASI CC dans une centrale nucléaire de 1400
Batterie de voie A
(Pb-Ca)
décharge
Capacité
Batterie de voie B
(NiCd)
décharge
Capacité
150 A
380 Ah
MW
« Usager
c » alimenté
220 V CA (redresseur) : protection
contrôle & instrumentation.
ordinateurs, télécommunication,
télévision,...
230 V
390 A
500 Ah
125 V
290 A
1 000 Ah
75 A
48 V
200 A
660 Ah
150 A
48 V
320 A
260 A
2 000 Ah
300 A
880 Ah de retransmission,...
760 Ah
30V
520 A
2 000 Ah
760 Ah Dispositif
de contrôle automatique,
interrupteurs
i
250 Ah Equipement (coupe-circuit.
contacteurs,...),
dispositifs de commande (valves,...)
- -----------------------------380 Ah
Protection du réacteur
300 A
Multiplexeurs, circuits de
et endommagements. Une étude statistique, effectuée sur
-
environ 120 ASI (chargeur + batterie + redresseur) utilisées
dans les centres de distribution d'EDF montre que 25 %
des pannes de ASI sont liées aux batteries (perte de capaci-
au courant maximum qui peut être appelé par tous les
« usagers » travaillant ensemble et simultanément, dans des
té) [2]. Le temps moyen entre les pannes (MTBF) est de
7,5 ans. Les ASI installées vont de 2 à 200 kVA ; 30 %
d'entre elles délivrent plus de 80 kVA, et 40 % moins de
10 kVA.
-
conditions de service normal.
Tension de fin de décharge (Ufd) : Cette valeur cor-
respond à la tension la plus basse autorisée en service et
supportable par les « usagers » avant tout endommagement
ou dysfonctionnement. Les pertes en ligne sont prises en
compte.
- Tension de charge maximum (t/M) : Cette valeur est
PARAMÈTRES DE DIMENSIONNEMENT
Les batteries de secours ne sont jamais déchargées, sauf
en cas d'urgence ou en période de maintenance de l'installation protégée. Elles sont reliées en permanence au chargeur qui les place en condition de marche flottante (floating). Leur tension est alors maintenue à un niveau suffisamment élevé pour compenser l'autodécharge
afin de
conserver les accumulateurs chargés complètement. Ce
type de fonctionnement
Courant de décharge maximum requis (Id) : Il est lié
entraîne une consommation d'eau
supplémentaire et des effets de mémoire dans le cas des
batteries NiCd.
On s'appuie sur quatre paramètres principaux pour
concevoir et sélectionner
batteries destinées à des applications stationnaires de secours. Les critères de sélection
correspondent aux contraintes de fonctionnement et aux
exigences de service suivantes.
- Autonomie minimum requise lors d'une décharge
liée à la tension maximale en service normal supportable
par les « usagers » avant tout endommagement ou dysfonctionnement. Une tension plus élevée spécifique (Ue) peut
être appliquée exceptionnellement
pendant une courte
c particulière.
période en cas de charge
Deux méthodes de charge peuvent être utilisées pour les
batteries stationnaires :
-
Marche flottante à tension constante - les batteries sont
chargées à une tension donnée (Uin par ex.) pendant 24
heures avec limitation de courant, puis placées en marche
flottante à cette même tension.
-
Marche flottante bipalier - les batteries sont chargées à
une tension élevée (tension spécifique Ue par ex.) pendant
24 heures avec limitation de courant puis automatiquement
placées en marche flottante à une tension plus faible (Lm
par exemple).
au courant constant assigné (AM) : Ce paramètre fait
référence à la durée de fonctionnement minimum de l'alimentation électrique de secours requise en cas de panne de
la source principale. Elle doit être d'au moins 60 minutes
dans les centrales thermiques et nucléaires et de 4 et 8
Le dimensionnement et la sélection des batteries sont
basés sur cette description du service requis et non sur des
demandes spécifiques de performances électriques (capaci-
heures dans les centres de production hydroélectrique,
installations de transport et de télécommunication.
tion le dimensionnement des batteries qu'ils proposent. Le
nombre d'accumulateurs est défini en fonction de la ten-
RUE
N'1
199 (,
les
té, taux de décharge, tension nominale...). Les fabricants de
batteries doivent en prendre en compte lors de la concep-
Batteries
industrielles
sion de fin de décharge et celle de charge maximale : la
capacité est définie en fonction de l'autonomie
du courant de décharge.
Accumulateur
requise et
STATIONNAIRES
DANS
électriques
à plaque positive tubulaire
De nos jours, cette technologie est adoptée lors des rem-
batteries en service dans les centrales hydroélectriques et
66 % dans les centrales nucléaires. Les plaques négatives
sont empâtées. Les plaques positives sont composées de
tubes verticaux. Chaque tube est creux avec une arête en
alliage de plomb (Pb-Sb, Pb-Ca). Les parois du tube sont
faites d'un isolant perméable du type fibre de verre tressée.
DES BATTERIES
UTILISÉES
LE SYSTÈME
réseaux
placements de batterie ou pour tout nouvel équipement.
Les batteries tubulaires au plomb représentent 33 % des
Le tableau 2 donne des exemples de valeurs seuil dans
les centrales électriques et le nombre proposé d'accumulateurs pour des batteries au plomb et NiCd.
TECHNOLOGIE
et grands
ÉLECTRIQUE D'EDF
L'espace vide dans le tube est comblé avec une matière
active.
Jusqu'à présent, tous les accumulateurs utilisés sont des
éléments « ouverts », qui demandent un apport d'eau et un
entretien à intervalles réguliers. Les différences de durées
de vie entre les batteries des voies A (plomb) et B (NiCd)
Pour le remplacement et les équipements nouveaux, des
batteries à faible taux d'antimoine
(Sb < 3 %) ou sans
d'antimoine (Pb-Ca) sont préférées afin d'éviter les effets
permettent d'établir des calendriers de remplacement distincts qui assurent la disponibilité totale d'une voie en cas
nocifs de l'antimoine sur la plaque négative qui engendrent
un dégagement
de l'hydrogène et une consommation d'eau
c CI
d'urgence. En outre, les accumulateurs NiCd sont intéressants pour les batteries de faible tension, du fait de l'impact
plus importants (entretien accru, pertes de performance...).
Batteries NiCd
plus faible de la perte d'un élément « 1,2 V » que d'un élément « 2 V ».
Accumulateurs
Accumulateurs
Accumulateurs
au plomb
électriques, avec 33 % du nombre total de batteries. Elle
est composée de pochettes métalliques perforées remplies
de matières actives.
type Planté
triques (il reste environ 40 accumulateurs d'une capacité
moyenne de 100-200 Ah en exploitation, soit 10 % de la
quantité totale des batteries installées). Leur durée de vie
peut atteindre plus de 15 ans dans certaines applications,
mais on ne les emploie plus en raison de leur coût élevé, de
leur faible énergie spécifique et de leur comportement
médiocre lors des tests sismiques.
Accumulateurs à plaque empâtée (batteries
de type Faure)
Ce type de batteries est utilisé dans la production hydroélectrique (50 % des batteries installées). Chaque plaque
est composée d'une grille en alliage plomb antimoine
(3-12 % Sb) empâtée avec une pâte mixte d'oxyde
de
plomb, d'acide sulfurique et d'eau.
Tableau 2. -
24
28
30
48
125
230
à pochette
C'est la principale technologie utilisée dans les centrales
On n'utilise plus que quelques accumulateurs de ce type.
Ils étaient installés auparavant dans les centrales hydroélec-
Tension
nominale (V)
à plaque
Accumulateurs à électrodes
et à structure fibreuse
à liant plastique
Pour les nouveaux équipements, les batteries à électrode
de cadmium avec liant plastique et les batteries à électrodes
de nickel et de cadmium à structure fibreuse (FNC) sont
deux autres technologies susceptibles d'être sélectionnées.
Les premières sont constituées d'une plaque positive frittée
et d'une plaque négative, dont la masse active est composée d'un mélange d'hydrate de cadmium et d'un liant plastique. Les accumulateurs FNC possèdent deux plaques à
matrice de fibres de nickel dans laquelle sont imprégnées
les matières actives. Lors de nos tests d'endurance en
marche flottante en température, ces deux technologies ont
mieux résisté au vieillissement
que les accumulateurs
conventionnels à plaque à pochette.
Valeur-s seuil reconimandées daus les ceutrales électriques
Nombre d'éléments
plomb
NiCd
14
20-22
23
59
108
36-38
93-96
172-179
Tension de fin
de décharge Ufd (V)
20,5
23
25,5
41
105
194
Tension normalc j Tension spécifique
max. Uii (V)
max. Ue (V)
--------------27
265 27
31
32
33 34
52,5
55
134 138
247,5 255
REE
N 1. ". : - [
19 (, 35
BATTERIES,
ÉVALUATION
DES
STOCKAGE
ET SÉLECTION
TECHNOLOGIES
DES BATTERIES
Des règles précises ont été définies pour évaluer, choisir
et contrôler les batteries. Pour l'équipement
nucléaires,
des centrales
les procédures d'assurance qualité couvrent
chaque étape essentielle de la prise de décision.
Choix des batteries
Le choix des batteries repose sur des tests de qualification selon les spéfications d'EDF. Ces procédures d'essai
tendent maintenant à intégrer les normes internationales,
en plus des exigences particulières d'EDF. La Direction
des études et recherches d'EDF a établi des spécification
d'essais pour les batteries stationnaires au plomb et NiCd,
qui comportent des séquences de vieillissement à des températures plus élevées que celles de fonctionnement. Pour
une utilisation en centrale nucléaire, le fonctionnement
continu des batteries pendant et après des essais de séisme
est vérifié.
Auparavant, le vieillissement
était effectué en
appliquant des cycles de surcharge à 25'C. Les procédures d'évaluation actuelles sont basées sur la succession
de périodes de marche flottante à 45'C pour les batteries
au plomb et à 55 °C pour les batteries NiCd. A la suite
d'études antérieures à 55'C, la température d'essai des
batteries au plomb a été ramenée à 45'C pour éviter un
vieillissement non représentatif. Des séquences d'évalua-
ÉLECTROCHIMIQUE
gaz émis doivent être pris en compte. Les coefficients de
recombinaison à 25'C étaient de 97 % dans tous les cas,
sauf pour l'une des batteries (95 %). Des débits gazeux
atteignant 2 m)/h ont été mesurés à cette même température. Cependant, à 45'C, des débits de l'ordre de 50 ml/h
ont été observés pour certaines batteries. Le niveau du
débit gazeux est évidemment d'un intérêt tout particulier
lors de la sélection de batteries pour des applications dans
des endroits non ou mal aérés (armoire électrique, par
exemple) du fait des risques associés à la formation
d'hydrogène (risque explosion...) et de la consommation
d'eau (assèchement de l'électrolyte).
Un autre objectif est de développer des procédures
d'essai en ligne afin d'éviter la déconnexion des batteries
testées du circuit d'alimentation
des utilisateurs. Les
méthodes de surveillance sont nécessaires pour vérifier et
contrôler le bon fonctionnement des batteries. C'est pourquoi EDF étudie le rapport entre la résistance interne (RI)
et l'autonomie résiduelle en fonction de l'état de vieillissement de la batterie [3, 4, 51. Un impédancemètre prototype
a été conçu pour réaliser les mesures sur site. La figure 2
montre des résultats encourageants qui indiquent une forte
corrélation entre les valeurs RI élevées, mesurées à 70 Hz
et la réduction de l'autonomie
des différents éléments
d'une batterie stationnaire au plomb de 1000 Ah utilisée
depuis 81 mois.
D'autres résultats intéressants apparaissent à la figure 3.
tion des performances à des régimes de décharge différents sont intercalées entre les phases de marche flottante.
Les principales valeurs seuil sont établies à partir des
Un rapport existe entre la capacité déchargée et la chute
de tension des éléments, mesurée après seulement 10
minutes de décharge. Ces deux méthodes nécessitent des
paramètres de fonctionnement et des caractéristiques des
batteries (par exemple, tension de coupure : 1,80 V/élé-
compléments de validation sur site. Cependant, elles pourraient permettre de réduire le temps d'indisponibilité
qui
ment, 1,136 V/élément - tension de marche flottante :
2,20 V/élément,
1,44 V/élément pour les batteries au
est causé par la décharge de contrôle annuelle. Les déve-
plomb et NiCd respectivement). Résistance interne, performances initiales, étanchéité, courant de court-circuit,
efficacité anti-déflagrante font partie des différents autres
loppements de systèmes semblables (tels qu'un conductimètre) sont également
étudiés avec attention.
c
paramètres examinés.
Evaluation des batteries
Les études d'EDF
sur les batteries
stationnaires
se
concentrent sur deux points principaux :
- l'évaluation de l'aptitude des nouvelles technologies
de
c
batteries à répondre aux exigences
de fonctionnement,
c
- le développement de procédures d'essai, de critères de
sélection et de méthodes de surveillance adéquats.
: 65 ep,ésentatif de la batter e
.Ilit ; .t.
t., (194814360)
1 ALito.=Moy
4308 *
Les accumulateurs au plomb à recombinaison à électrolyte absorbé (glass-mat VRLA) ont été étudiés lors
d'essais de vieillissement. Ce type de batterie est présenté
comme « sans entretien » grâce au processus de recombinaison des gaz d'électrolyse. Il
ne demande aucun rajout
périodique
d'eau. Six batteries différentes
(1891/200)
"'-.'
1970 1960 1950 1940 1930 1920 1910 1900 1890
LJ (J Teni (,ii de l'élénient
600
IleSUrée
sdedëciia,,,e
aplës
(iliv)
ont subi des
périodes de marche flottante successives à 45'C. Les
résultats initiaux révèlent que non seulement le coefficient
de recombinaison, mais également
les volumes cglobaux de
c
2. Corrélcition eiitre la résistaiice iiiterne, jnesbij- (,e à 70 Hz,
avant décharge. et l'autonomie des éléments d'une batterie
ait ploiiib otit,ei-te de 1000 Ah de 81 iiiois.
Batteries
industrielles
et grands
réseaux
électriques
qualité ou la régulation de la charge dans les grands
réseaux électriques futurs ?
Pour améliorer et gérer les installations de production, de
Ils 6000
l .e:.>
-- a..
-..* cleinerit
(0>275/421
5000 (0,255/5454)
ri, 100)reprentatif de la bauerie
1A.. .y - 4308... ,e
Z 4000
:F
s
V
Z, 2000
(0,35b73)
1- 1000
.:b
transport et de distribution, les services opérateurs électriques font face maintenant à de nouveaux problèmes
techniques, économiques et environnementaux. Ils sont
généralement touchés par les coûts croissants de l'énergie
non distribuée et ils ont besoin d'une gestion du réseau
plus précise côté distribution. Ils font également face à des
difficultés croissantes pour construire de nouvelles lignes
de transport ou même pour renforcer des lignes électriques
0.22 024
0.26 0.28 o3
0.32 034
O36
déjà existantes, solutions classiques pour répondre à la
R: Résistance
interne
de chnquc élinnent la
mesuréc
décharge
arant
(xIO.J Ohms) demande croissante en énergie et en qualité. Les câbles
électriques enterrés peuvent être une solution alternative,
même si leur coût reste sensiblement supérieur.
3. Corrélation entre cititoiioi7iie et cliiite de tension après
600 s de décharge des éléments d'une batterie au plomb
otiverte de 1000 Ah de 81 iiiois.
Les procédures d'entretien et de vérification ont été établies afin de suivre le comportement des batteries en poste
pendant leur durée de vie. Elles sont basées sur :
- la vérification de mise en service (inspection visuelle,
mesures de capacité assignée
et de tension d'élément),
c
- lesvérifications périodiques (inspection visuelle, addition d'eau, surveillance de la tension d'élément pendant les
périodes de marche flottante et 10 minutes après la déconnexion du chargeur),
l'entretien et la vérification
pendant l'arrêt annuel de la
tranche (surveillance de la tension des batteries et de la tension d'élément pendant les périodes de marche flottante,
décharge au courant spécifié pour les mesures d'autonomie).
Dans les centrales nucléaires, la décharge annuelle est
généralement arrêtée après 60 mn, une fois l'autonomie
spécifiée contrôlée. Des décharges plus fréquentes d'une
durée limitée à 10 mn peuvent également être effectuées
entre deux vérifications annuelles. Autant que possible,
pour les nouveaux équipements et les remplacements, les
éléments d'accumulateurs vont être individuellement instrumentés avec des fils de mesure pour surveiller et enregistrer leur tension au cours de leur vie de service.
APPLICATIONS
FUTURES
ET POTENTIELLES
solutions existantes, le stockage
d'énergie par accumulateurs peut être considéré à moyen
terme comme un candidat pour la régulation de la charge,
puisque, au vu des tarifs de l'électricité, il peut être déjà
économiquement rentable pour certains usagers industriels.
Ce type de stockage, installé par exemple dans différentes
Entretien et vérification
-
Parmi les différentes
DES BATTERIES
postes, permettrait de différer la mise à niveau des systèmes de transport et de distribution amont.
Comme un tel report de capacité ne peut durer éternellement, on peut envisager l'emploi d'ensembles de stockage
mobiles, avec des technologies de batteries adaptées. Des
systèmes de stockage associés à des convertisseurs électroniques de puissance répartis dans le réseau peuvent présenter plusieurs avantages,
en terme de :
c
- sécuritéet qualité de l'électricité fournie, en évitant les
micro coupures, les baisses de tension, les pertes d'alimentation en amont, etc. ;
- gestion locale rapide de l'énergie ; réglage de la fréquence, corrections du facteur de charge, amélioration de
la stabilité, contrôle de l'impédance par un convertisseur
électronique, réglage de la tension et peut-être, avec des
convertisseursIGBT, compensation harmonique ;
- régulation de la charge sur de courtes périodes avec
compensation des pointes (peak shaving), qui peut permettre de limiter les réserves tournantes, et lissage de la
charge, sur des périodes plus longues (quelques heures), ce
qui permet de différer le renforcement du réseau en amont.
Ces systèmes - batterie + convertisseur - demandent
cependant un investissement de capital important : toutes
les valeurs ajoutées des différentes fonctionnalités associées doivent être prises en compte. Si la tendance à la
réduction des coûts est confirmée, l'étude économique préliminaire montre un intérêt.
Cela semble être le cas avec les convertisseurs électro-
Le stockage de l'énergie par accumulateurs électrochi-
niques de puissance de taille importante ou moyenne (GTO
ou plus récemment IGBT) pour lesquels une réduction
d'un facteur deux du prix dans les 10 ans semble possible.
Les batteries doivent suivre la même voie pour réduire leur
coût bien en deçà des 1 000 FF/kWh. En même temps elles
doivent conserver une bonne tenue aux cycles (1 500
miques va-t-il progressivement
voir ses applications
s'étendre, des dispositifs de secours vers la gestion de la
cycles ou plus), et s'intégrer dans des systèmes très compacts, avec un entretien minime, voire inexistant [6].
DANS
LES UNITÉS
ET DE DISTRIBUTION
DE PRODUCTION
D'ÉLECTRICITÉ
Réseaux importants
REE
\11 1
, 1996
BATTERIES,
STOCKAGE
ÉLECTROCHIMIQUE
Les batteries au plomb ouvertes actuelles donnent déjà
des résultats techniques intéressants, illustrés par environ
deux dizaines d'installations, mondiales et à grande échel-
Dans le premier cas, une concurrence existe entre la
résistance et la tenue aux cycles des batteries au plomb
« tubulaires » ouvertes de traction d'une part, et les batte-
le, expérimentales, opérationnelles ou en phase de lancement, allant de 200 kW à 70 MW et de 200 kWh à
40 MWh (BEWAG, CHINO.
PREPA...). Les techniques
devront être améliorées si l'on veut trouver un moyen éco-
ries au plomb à électrolyte gélifié, qui résistent à la stratification pour une utilisation à des régimes de décharge partielle à basse température d'autre part. Là encore, l'amélioration de ce deuxième type d'accumulateurs provenant
des développements effectués dans le cadre de l'application « véhicule électrique » permettra d'accroître leur durabilité.
nomique de toucher un marché plus vaste et répondre aux
critères mentionnés ci-dessus. On peut penser à deux
moyens différents.
Augmentation des capacités nominales des monoblocs
au plomb ouverts ou à recombinaison, pour limiter la
quantité
trop importante
de matériaux
non actifs
(connexions...). Cela implique probablement :
de développer de nouveaux concepts d'électrodes
larges, de gestion thermique intégrée
et de dispositifs de
c
gestion des cgaz, afin d'améliorer l'effet d'échelle,
- detirer parti d'une conception semi-bipolaire (ou bipolaire le cas échéant) pour améliorer davantage la compacité
et la puissance spécifique.
Bien que les batteries
au plomb
Dans le deuxième cas, le stockage sert d'interface
de
régulation entre les usagers, la production locale renouvelable et le réseau de distribution. Ceci permet une gestion
du réseau optimale (les batteries peuvent être déplacées de
site en site), ainsi qu'une utilisation optimale et un dimensionnement minimal de la source d'énergie locale. Dans le
cadre de LIBES au Japon par exemple, des batteries
tithium-carbone/oxyde métallique à cyclabilité élevée sont
développées pour ce type d'application, au niveau de l'usager individuel.
CONCLUSIONS
à recombinaison
(VRLA) soient considérées comme plus fraoiles que les
batteries ouvertes, elles peuvent être améliorées en tirant
les enseignements de l'utilisation des batteries VRLA pour
la traction électrique.
Utilisation d'ensembles modulaires intégrés, associant
chacun une unité de stockage « sans entretien » et le
convertisseur de puissance électronique, pour parvenir à
une production normalisée en grande série de façon à
réduire les coûts. Cette approche permettrait un investissement progressif en capacité selon les besoins croissants de
stockage.
Des concepts intermédiaires, comme les ensembles compacts sodium/soufre
500 kW-4 MWh (proposé par
NGK/TEPCO au Japon), et 300 kW-300 kWh (proposé par
Silent Power aux USA) peuvent également présenter un
Les connaissances des grands opérateurs électriques sur
le comportement des batteries stationnaires de secours ont
beaucoup progressé. Ceci permet de mieux faire correspondre les performances des accumulateurs installés aux
besoins spécifiés et de mieux comprendre leurs faiblesses.
Les nouveaux enjeux que rencontreront
les opérateurs
électriques dans le futur peuvent conduire à utiliser des batteries, réparties dans les réseaux électriques, pour des
applications de qualité, de gestion technique et de contrôle
de la charge. Mais cela est lié à des évolutions techniques
importantes pour obtenir des systèmes moins onéreux.
Certaines « nouvelles » technologies voient déjà le jour.
Les améliorations provenant de la recherche sur les véhicules électriques pourraient être utiles d'une certaine façon,
pour des applications sur les réseaux et pour l'utilisation
des sources d'énergie renouvelables.
grand intérêt si des coûts suffisamment bas sont atteints.
D'autres technologies peuvent apparaît-e, le zinc/brome
par exemple, en cours de développement aux Etats-Unis
avec une perspective coût faible (J 50 $/kW).
Energies renouvelables
Au-delà des systèmes spéciaux de signalisation
photo-
voltaïque qui utilisent des batteries de secours surdimensionnées pour éviter les entretiens fréquents et les manques
d'énergie, les sources renouvelables peuvent contribuer à
court terme à alimenter en énergie les habitations dans des
conditions spécifiques. EDF est en train d'équiper, par
exemple, plusieurs milliers de clients « isolés » à cause
d'un éloignement trop important par rapport au réseau.
Mais l'alimentation
électrique fournie est intermittente.
Pour ces clients isolés, le stockage de l'énergie est donc
nécessaire, ce qui peut d'ailleurs
réseau.
REE
N'1
j, i, 1996
aider la connexion
au
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