Introduction
Le stockage d'énergie à portée étendue fait référence à toute configuration de stockage dans laquelle un dispositif de conversion d'énergie secondaire reconstitue le support de stockage principal pendant les cycles de décharge. Cette définition inclut les systèmes de générateurs à batterie ainsi que les combinaisons de piles à combustible. La principale différence avec le stockage hybride est que le dispositif secondaire fonctionne de manière intermittente en fonction de l'état de charge du stockage plutôt que de manière continue. Injet HanCang a effectué une analyse comparative des performances du stockage d'énergie à portée étendue sur cinq sites de déploiement différents. Cet article présente le cadre technique, les mesures d'efficacité et les résultats spécifiques aux applications issus de ces tests de performance.
Cadre technique pour le stockage d’énergie à portée étendue
Le cadre technique du stockage d’énergie à autonomie étendue repose sur trois principes. Le premier principe est que le stockage principal gère tous les transitoires de charge et les fluctuations de courte durée. Le deuxième principe est que le prolongateur d’autonomie fonctionne uniquement à son niveau de puissance le plus efficace. Le troisième principe est que le prolongateur d’autonomie démarre et s’arrête en fonction de seuils d’état de charge, et non en fonction de l’ampleur de la charge. Ces principes distinguent le stockage à portée étendue des systèmes hybrides parallèles où les deux sources peuvent alimenter la charge simultanément. Injet HanCang utilise un contrôleur avec des bandes d'hystérésis d'état de charge programmables. La bande inférieure est généralement fixée à un état de charge de trente pour cent pour le démarrage du générateur. La bande supérieure est fixée à soixante-dix pour cent pour l'arrêt du générateur. Cette bande d'hystérésis de quarante points de pourcentage empêche un cycle d'activation et d'arrêt rapide.
Méthodologie de mesure de l’efficacité
Mesurer l’efficacité du stockage d’énergie à portée étendue nécessite de prendre en compte plusieurs voies énergétiques. La principale mesure d’efficacité est l’efficacité du carburant par rapport à l’électricité lorsque le prolongateur d’autonomie est actif. Cette mesure est calculée comme l'énergie électrique fournie à la charge divisée par le contenu énergétique chimique du carburant consommé. Une deuxième mesure est l’efficacité aller-retour lorsque la batterie est chargée à partir du réseau. Une troisième mesure est la perte en veille, qui mesure l'énergie consommée par le contrôleur et le système de gestion de la batterie lorsque le système est inactif. Injet HanCang a mesuré ces mesures sur une flotte de douze systèmes. Le rendement carburant/électricité était en moyenne de 33 % dans tous les systèmes. L’efficacité du réseau aller-retour était en moyenne de quatre-vingt-neuf pour cent. La perte en veille s'élevait en moyenne à 1,2 % de la puissance nominale du système par heure.
Critères de sélection des composants
La sélection des composants pour le stockage d’énergie à portée étendue affecte à la fois les performances et la longévité. La chimie de la batterie doit présenter une bonne durée de vie en état de charge partielle. Injet HanCang sélectionne les cellules au lithium fer phosphate car elles tolèrent un fonctionnement entre vingt et quatre-vingts pour cent d'état de charge avec un vieillissement accéléré minimal. Le générateur doit être capable de fonctionner à vitesse variable pour correspondre à la puissance de charge optimale de la batterie. Les générateurs à vitesse fixe fonctionnant à un régime constant ont un rendement inférieur à charges partielles. Le redresseur reliant le générateur au bus DC doit avoir un rendement supérieur à quatre-vingt-quinze pour cent à la puissance de fonctionnement attendue. Injet HanCang utilise des redresseurs à base de carbure de silicium pour les systèmes de plus de cent kilowatts.
Données opérationnelles d'une application minière
Un système de stockage d'énergie à portée étendue déployé sur un site minier hors réseau en Australie occidentale a fourni des données opérationnelles détaillées sur une période de dix-huit mois. Le site avait une charge moyenne de deux cent cinquante kilowatts et une charge de pointe de sept cents kilowatts. Le parc de batteries était dimensionné pour mille kilowattheures. Le générateur était évalué à deux cent cinquante kilowatts. Le système a enregistré trois cent vingt démarrages de générateurs au cours de cette période. La durée moyenne des courses était de trois heures. La batterie a effectué cent quarante équivalents de cycle complet. Dégradation de la capacité mesurée à trois virgule deux pour cent. Le générateur a consommé douze mille litres de diesel. Une solution avec générateur uniquement fonctionnant sur le même site aurait consommé environ trente-cinq mille litres, sur la base des données historiques. L'économie de carburant de soixante-six pour cent résulte directement de l'architecture à autonomie étendue.
Performance thermique en fonctionnement continu
Les systèmes de stockage d’énergie à portée étendue peuvent fonctionner pendant des périodes prolongées sans connexion au réseau. La gestion thermique devient critique lors de tels événements. Injet HanCang a mesuré les performances thermiques au cours d'un test de fonctionnement continu de soixante-douze heures. Le test a utilisé un système de deux cents kilowatts avec refroidissement liquide pour la batterie et refroidissement par air forcé pour le compartiment générateur. La température ambiante pendant le test variait entre vingt-huit et trente-six degrés Celsius. Les températures des cellules de la batterie sont restées entre vingt-six et trente-quatre degrés. La différence de température maximale entre deux cellules était de trois degrés. La température du compartiment du générateur a culminé à cinquante-quatre degrés, ce qui se situe dans la limite spécifiée par le fabricant de soixante-cinq degrés. Le système de refroidissement liquide consommait en moyenne trois virgule cinq kilowatts, ce qui représente un virgule huit pour cent du débit moyen du système.
Comparaison des performances des algorithmes de contrôle
L'algorithme de contrôle qui détermine quand démarrer et arrêter le prolongateur de portée affecte considérablement l'efficacité du système. Injet HanCang a comparé trois algorithmes de contrôle sur la même plate-forme matérielle sur des périodes de trois mois. Le premier algorithme utilisait de simples seuils d’état de charge sans prédiction. Le deuxième algorithme a ajouté une analyse des tendances de charge en utilisant une moyenne mobile des six dernières heures. Le troisième algorithme utilisait une mémoire de profil de charge sur sept jours pour prédire les besoins énergétiques futurs. L'algorithme de seuil simple a donné lieu à une moyenne de quatre démarrages de générateurs par jour avec une durée de fonctionnement moyenne d'une heure. L’algorithme de tendance de charge a réduit les démarrages à trois par jour avec une durée moyenne d’exécution d’une virgule trois heures. L'algorithme prédictif a réduit les démarrages à deux par jour avec une durée moyenne d'exécution de deux heures. La consommation totale de carburant était la plus faible pour l'algorithme prédictif, consommant quatre-vingt-cinq pour cent du carburant utilisé par l'algorithme à seuil simple.
Statistiques de fiabilité de plusieurs déploiements
Injet HanCang a compilé les données de fiabilité de vingt-deux systèmes de stockage d'énergie à portée étendue déployés entre 2022 et 2025. Le total des heures de fonctionnement sur tous les systèmes a dépassé cent cinquante mille heures. Le temps moyen entre pannes pour l’ensemble du système était de quatre mille deux cents heures. Le mode de défaillance le plus courant était la défaillance de la batterie de démarrage du générateur, représentant 43 % de tous les problèmes signalés. Le deuxième mode de défaillance le plus courant était la contamination du carburant, représentant vingt-deux pour cent. Les pannes liées à la batterie représentaient douze pour cent. Les problèmes de contrôleur et de logiciel représentaient dix-huit pour cent. Les cinq pour cent restants concernaient des questions diverses. Ces statistiques indiquent que la fiabilité du sous-système générateur est le principal facteur de disponibilité globale du système.
Comparaison économique avec les technologies alternatives
Le stockage d’énergie à portée étendue occupe une niche économique spécifique entre les batteries autonomes et les systèmes avec générateur uniquement. Injet HanCang a effectué une comparaison économique pour un site avec des besoins énergétiques quotidiens de mille kilowattheures et une puissance de pointe de trois cents kilowatts. La comparaison a considéré un horizon d'exploitation de dix ans. Le stockage autonome sur batterie nécessitait un parc de batteries de deux mille kilowattheures pour fournir une énergie quotidienne complète sans recharge. Le coût initial était de quatre cent mille dollars, le remplacement à la septième année ajoutant deux cent vingt mille dollars. Le stockage du générateur uniquement nécessitait un générateur de trois cents kilowatts avec stockage de carburant. Le coût initial était de soixante-dix mille dollars, mais le coût annuel du carburant était de quarante mille dollars pour un total sur dix ans de quatre cent soixante-dix mille dollars. Le stockage à autonomie étendue utilisait une batterie de mille kilowattheures et un générateur de cent cinquante kilowatts. Le coût initial était de deux cent cinquante mille dollars plus soixante-dix mille pour le générateur, soit un total de trois cent vingt mille dollars. Le coût annuel du carburant était de dix mille dollars pour un total de dix ans de cent mille dollars. Le coût total sur dix ans du stockage à autonomie étendue était de quatre cent vingt mille dollars, contre six cent vingt mille pour une batterie autonome et cinq cent quarante mille pour un générateur uniquement.
Conclusion
Le stockage d'énergie à portée étendue offre des avantages économiques et de performance mesurables pour les applications avec des durées de décharge quotidiennes comprises entre quatre et dix heures. Les données d'efficacité des déploiements d'Injet HanCang montrent une efficacité carburant/électricité de trente-trois pour cent et une efficacité du réseau aller-retour de quatre-vingt-neuf pour cent. Les données opérationnelles d'un site minier ont démontré une économie de carburant de soixante-six pour cent par rapport au fonctionnement d'un générateur uniquement. Les statistiques de fiabilité montrent un temps moyen entre pannes de quatre mille deux cents heures, la batterie de démarrage du générateur étant le principal mode de panne. La comparaison économique confirme que le stockage à autonomie étendue présente le coût total sur dix ans le plus bas pour le profil de charge modélisé.