Étude et modélisation électrothermique d'une batterie stationnaire Lithium-ion connectée en micro-réseau sur site industriel

Abstract

Vu le réchauffement climatique et la diminution des réserves prouvées de combustible fossile, une transition énergétique, vers des moyens de production énergétique plus durables, est nécessaire. Pour se faire, au fur et à mesure, une part de plus en plus importante de notre mix électrique sera constituée des différentes sources d'énergie renouvelable avec en majorité le solaire et l'éolien. Cependant, ces deux dernières sont des sources de production intermittentes en fonction des conditions météorologiques. Par conséquent, il est nécessaire d'être capable de stocker l'électricité pour faire correspondre la production à la demande. Ces unités de stockage permettront de favoriser l'intégration du solaire et de l'éolien et de maximiser la proportion de ces énergies dans notre mix électrique.

Pour les petites unités de production d'électricité décentralisées, comme les installations photovoltaïques, le moyen de stockage privilégié actuellement sont les batteries stationnaires et plus spécifiquement Lithium-ion, vu ses avantages. Dans ce cadre, John Cockerill Energy a mis en place, sur leur site de Seraing, un micro-réseau constitué d'une installation photovoltaïque couplée à plusieurs technologies de batteries dont une Lithium-ion. Cette installation a pour but de pouvoir réaliser des tests pour mieux comprendre le fonctionnement de ces batteries et également de tester l'Energy Management System (EMS) conçu par John Cockerill Energy.

A l'aide des différents tests thermiques et électriques réalisés sur la batterie Lithium-ion, il a été possible de mettre en place trois modèles différents avec chacun des objectifs distincts : électrique, thermique et estimateur de l’état de charge. Ces modèles vont respectivement estimer l'évolution de la tension, de la température et de l'état de charge de la batterie. En combinant ces trois modèles, il est possible de modéliser de manière complète, au point de vue électrothermique, une batterie. Ce modèle global permet de simuler l'évolution de la tension, l'état de charge et la température, c'est-à-dire le comportement électrique et thermique de la batterie, au cours du temps pour toutes les conditions de fonctionnement en ne connaissant que le courant de charge/décharge de la batterie, les conditions météorologiques et la consommation électrique des auxiliaires. Par exemple, pour un fonctionnement en stockage journalier de la batterie sur une période de deux journées, le modèle global a permis d'estimer l'évolution de la tension, de la température et l'état de charge avec respectivement une erreur moyenne de 3.53[V], 1.08[°C] et 2.18\%. Ces prévisions seront utiles à l'EMS pour optimiser l'utilisation, le fonctionnement et la durée de vie de la batterie ainsi que la rentabilité du micro-réseau.

Ce travail a été réalisé sur une batterie Lithium-ion, technologie Lithium-Fer-Phosphate. Mais il est possible de calibrer ce modèle sur n'importe quelle autre batterie électrochimique en réalisant les mêmes tests que cette étude sur la batterie désirée.