Mise en réseau intelligente des systèmes de stockage à batterie

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Avec un taux de croissance annuel d’environ 25 %, le marché des batteries est l’un des marchés en plus forte expansion. La technologie des batteries gagne ainsi une importance particulière pour le développement d’un futur durable et constitue le moteur principal de l’intégration des énergies volatiles et de la mobilité propre. Ce marché d’avenir, qui couvre aujourd’hui une capacité de 282 GWh, devrait selon les prévisions actuelles atteindre une capacité d’environ 2 600 GWh d’ici 2030.

Dans le domaine des voitures et utilitaires à batterie (p. ex. les bus électriques), plusieurs cellules de batteries sont regroupées en packs de batteries, dont plusieurs sont à leur tour montées dans un module associé à un système de gestion de batterie (BMS). Le module de batterie est relié aux systèmes de commande du véhicule au moyen du BMS, comme dans l’automobile, via le bus série CAN (Controller Area Network).

De tels modules de batterie ont une espérance de vie de près de 10 ans, après quoi leur utilisation n’est plus judicieuse dans le domaine de l’électromobilité en raison de la diminution de la capacité et de la réduction d’autonomie qui en résulte. Le recyclage de ces modules à ce moment donné ferait perdre un pourcentage élevé de leur valeur (environ 70 % de la capacité résiduelle) et leur mise au rebut entraînerait en outre d’importants coûts financiers et écologiques. C’est pourquoi les modules de batteries sont utilisés dans d’autres domaines pour lesquels leur capacité résiduelle est plus que suffisante.

L’un de ces domaines de « seconde vie » est l’utilisation dans des systèmes de stockage à batterie fixes. D’ici 2030, environ un million de tonnes de batteries de véhicules électriques seront disponibles pour être réutilisées notamment dans des systèmes de ce type, et d’ici 2035, la demande mondiale de systèmes de stockage d’énergie fixes pourrait être entièrement couverte par des batteries de seconde vie.

Les domaines d’utilisation des systèmes de stockage à batterie sont divers, de l’approvisionnement en énergie de secours à l’équilibrage des charges dans les installations industrielles en passant par la compensation des pics de charges dans les stations de recharge de véhicules et les applications mini-réseaux dans le domaine des énergies renouvelables.

Malgré la grande évolutivité en termes de taille et de capacité, l’architecture de base de la plupart des systèmes basés sur des conteneurs est quasiment identique. Les batteries de seconde vie provenant des véhicules et leurs unités BMS intégrées restent l’élément central. Ces unités sont mises en réseau via le bus CAN et connectées à un système maître de gestion d’énergie (EMS).

Outres les composants purement pertinents pour l’énergie, l’unité de conteneur comprend également des systèmes de climatisation, de détection d’incendie et de contrôle d’accès virtuel et physique. Ici aussi, l’on recourt souvent à des composants standards de climatisation et de domotique qui utilisent à leur tour d’autres protocoles réseau tels que KNX ou Modbus. Les solutions de passerelles pour bus de terrain et Ethernet industriel permettent de connecter facilement plusieurs normes de communication entre elles et de les surveiller ou piloter de manière centralisée. Cette approche centralisée, qui intègre tous les composants, permet un accès facile aux données de tous les niveaux.

La mise en réseau des composants dans les systèmes de stockage à batterie avec intégration de tous les systèmes est la condition préalable à une connexion optimale aux réseaux Cloud ou aux systèmes SCADA. Dans le réseau Smart Grid, il est possible de contrôler de manière centralisée le stockage et la fourniture de l’énergie ; les données sur les batteries et le système restent disponibles afin de garantir une maintenance préventive et donc le fonctionnement optimal des systèmes de stockage à batterie.

La connexion du Smart Grid au Cloud nécessite des passerelles spéciales prenant en charge à la fois les protocoles d’énergie utilisés dans les réseaux d’énergie, tels que IEC 61850, IEC 60870-5-104 et DNP3, et les normes de bus de terrain et Ethernet industriel utilisées dans l’industrie, ainsi que les normes de connexion aux systèmes Cloud (OPC UA, MQTT).

Une attention particulière est accordée ici à la sécurité des données et à la protection des accès. Ces passerelles spéciales doivent donc disposer de fonctions de cybersécurité robustes, telles qu’un pare-feu, OpenVPN, le cryptage TLS et la gestion des utilisateurs.

Les courants élevés et le sens d’alternance lors de l’alimentation du réseau sont des facteurs qui selon les circonstances provoquent une perturbation du système EM des composants en réseau. Lors de la conception des systèmes, il faut donc prévoir des mesures de protection afin d’éviter l’endommagement des composants et assurer une communication des données limpide. Les répéteurs CAN sont utilisés à cet effet ; ils permettent de relier entre eux des modules individuels avec une protection galvanique allant jusqu’à 4 kV. Les répéteurs permettent en outre de réaliser des topologies en étoile et en arbre, ce qui facilite le câblage et économise le matériel de câblage.

Pour la mise en réseau de plusieurs unités BMS identiques et leur connexion à l’EMS, il faut par ailleurs modifier les identificateurs de messages CAN, ce qui est possible via les ponts et passerelles CAN et leurs fonctions de filtre et de manipulation des données faciles à configurer.

L’utilisation de la technologie CAN, établie dans le secteur automobile et désormais omniprésente dans le secteur industriel depuis de nombreuses années, présente l’avantage de pouvoir recourir à une large palette de composants standards peu coûteux pour la mise en réseau. Du fait de ses origines, la technologie CAN est un système de bus de terrain ultra robuste, fiable et de surcroît très écoénergétique. La technologie CAN peut également jouer tous ces atouts lorsqu’elle est utilisée dans les systèmes de stockage à batterie.