Leçons tirées de l'installation d'un stockage d'énergie par batterie dans un générateur photovoltaïque existant

Pourquoi la modernisation de l'énergie de la batterie dans les panneaux photovoltaïques existants est-elle logique et quels sont certains des défis à surmonter pour ce faire, comme l'explique un grand service public qui l'a vraiment fait.

Article de | Systèmes d'Alençon

Solaire plus stockage. Si vous êtes dans le secteur de l'énergie, et pas seulement dans le secteur des énergies alternatives, c'est un terme que vous entendez probablement tous les jours. Peut-être même plusieurs fois par jour. Une cible logique pour coupler les batteries au solaire se cache à la vue de tous : nos gigawatts de ressources photovoltaïques déjà installées. Duke Energy, l'un des plus grands services publics américains, basé en Caroline du Nord, cherche à exploiter cette opportunité. Duke a installé un stockage d'énergie dans certains de ses panneaux photovoltaïques existants en vue d'en faire plus à l'avenir.

Dans cet article, nous déballons les enseignements tirés de ces efforts avec Tom Fenimore, Business Development pour Duke Energy à Charlotte, Caroline du Nord. Fenimore a dirigé un certain nombre de ces efforts pour Duke et a choisi de partager son expérience dans l'exécution de tels projets au profit de l'industrie plus largement. Cette connaissance comprend les incitations à installer du stockage dans les centrales photovoltaïques existantes et les défis pratiques et techniques à prendre en compte lors de cette opération (ainsi que certaines solutions à ces défis !).

Selon son site Internet, d'ici la fin de 2020, Duke Energy disposera de plus de 15 GW d'énergies renouvelables dans son portefeuille de production d'électricité, dont une grande partie comprend bien sûr l'énergie solaire.

"Au fur et à mesure que de plus en plus d'énergies renouvelables arrivent sur un circuit, la nécessité d'optimiser ce circuit, à partir de la nécessité de fournir une stabilisation de la tension et de la fréquence, va augmenter. L'un des moyens les plus simples d'y parvenir est d'utiliser le stockage d'énergie et de permettre à ce stockage d'interagir avec le solaire, explique Fenimore. "Fournir la stabilité du réseau fait explicitement partie de notre charte en tant que service public réglementé."

La plus grande partie du territoire de service réglementé de Duke Energy se trouve dans l'État de Caroline du Nord. La Caroline du Nord est la deuxième du pays, juste après la Californie, en termes de PV solaire installé. L'une des principales différences entre la Caroline du Nord et la Californie est que l'énergie solaire sur les toits ne représente qu'une très petite partie des installations solaires de la Caroline du Nord, ce qui signifie que les centrales photovoltaïques sont généralement des systèmes au sol plus grands. Ce fait signifie que chaque installation PV est un contributeur individuel plus important à la puissance d'un circuit de distribution ou de transmission donné.

Lorsqu'ils cherchent à ajouter du stockage aux actifs photovoltaïques existants, les propriétaires de systèmes comme Duke Energy ont deux options : le couplage AC ou DC. Le couplage AC du solaire et du stockage d'énergie est réalisé lorsque les panneaux solaires et les batteries sont connectés du côté AC de l'onduleur, c'est-à-dire « derrière l'onduleur ». En revanche, dans une topologie couplée DC, le solaire et le stockage sont connectés du côté DC de l'onduleur, c'est-à-dire « devant l'onduleur ».

Bien qu'il puisse y avoir des raisons viables d'utiliser l'approche couplée CA ou CC pour différentes applications solaires plus stockage, lorsqu'il s'agit d'installer du stockage dans des systèmes photovoltaïques existants, M. Fenimore pense que le couplage CC présente des avantages très convaincants par rapport au couplage CA.

L'un des principaux avantages du couplage CC en tant que technique d'intégration du stockage dans les installations photovoltaïques existantes est la possibilité de tirer parti de la tendance à l'augmentation constante des rapports CC:CA. Le rapport DC:AC fait référence à la quantité de panneaux photovoltaïques installés par rapport à la plaque signalétique AC de l'onduleur, qui est dictée par la taille de l'interconnexion AC au réseau de distribution électrique.

Ces dernières années, en raison de la baisse du prix des panneaux photovoltaïques et de l'amélioration de la technologie des onduleurs, il y a eu une tendance à augmenter les rapports CC:CA. Il y a des années, les centrales photovoltaïques étaient conçues avec des rapports CC/CA modestes, généralement compris entre 1,05 et 1,1. Sur la base des facteurs qui viennent d'être expliqués, ces dernières années, les rapports DC:AC pour les centrales solaires à plus grande échelle ont augmenté de n'importe où entre 1,5 et 1,8 DC:AC. Certains onduleurs PV sont même capables de gérer des surcharges CC de deux fois le PV par rapport à la capacité CA nominale de l'usine. Vous pouvez en savoir plus sur les considérations relatives au rapport DC: AC à partir de cet article récent.

Tout ce surplus de PV conduit à la possibilité de grandes quantités d'énergie potentielle écrêtée, c'est-à-dire que la production PV est réduite par l'onduleur lorsque la production PV dépasse la puissance nominale de l'onduleur. La technique de couplage CC combinant solaire et stockage permet de détourner cette production excédentaire vers une batterie pendant les périodes de surproduction. Cette production captée peut ensuite être déchargée plus tard dans la journée ou dans la soirée pour lisser la production d'une centrale photovoltaïque, transformant une ressource énergétique intermittente comme le solaire en une ressource vraiment dispatchable. Lorsque vous êtes un service public réglementé qui passe des contrats avec des millions d'utilisateurs finaux pour s'assurer que les lumières s'allument chaque fois qu'ils actionnent un interrupteur dans leur maison ou leur entreprise, il est essentiel de pouvoir contrôler avec précision la répartition de votre capacité de production. Le couplage CC du solaire et du stockage aide à offrir cet avantage à Duke Energy.

En plus de la possibilité de capter ce qui pourrait autrement être écrêté (c'est-à-dire jeté), le couplage CC offre également au propriétaire du système des avantages financiers uniques. Selon les réglementations gouvernementales en vigueur, le stockage d'énergie ne peut être réclamé au titre du crédit d'impôt à l'investissement (CII) que lorsqu'il est facturé directement à partir du PV.

"La clé du succès de l'installation du stockage d'énergie est de le faire avec des avantages fiscaux ou financiers favorables. Une fois que nous aurons compris comment le faire en tant qu'industrie avec régularité, nous verrons vraiment l'aiguille bouger", explique Fenimore. "L'un des défis que nous avons rencontrés avec le stockage est de capitaliser sur les crédits d'impôt à l'investissement. Le couplage CC permet que cela se produise plus facilement que le couplage CA car nous ne pouvons charger la batterie qu'à partir de l'énergie solaire. Cela en fait un cas clair d'un point de vue financier d'où proviennent les kilowattheures de charge de la batterie. "

Comme tant de nouvelles entreprises, bien que l'installation de batteries dans un générateur photovoltaïque existant à l'aide d'un couplage CC ait beaucoup de sens, "cela semble toujours plus facile sur le papier", note Fenimore.

"L'un des défis de l'exécution d'une mise à niveau du stockage à couplage CC dans une centrale photovoltaïque existante est de comprendre et de gérer les pratiques de câblage du site existant et de toute l'infrastructure physique. C'est toujours plus facile sur un bloc-diagramme. Une fois que vous entrez sur le terrain, il peut être plus difficile de tout faire fonctionner ", explique Fenimore.

L'un de ces défis imprévus, la question de l'incorporation de batteries flottantes dans un générateur photovoltaïque mis à la terre, s'est posé lors d'une modernisation du stockage effectuée par Duke Energy en 2019 dans son usine McAlpine Solar.

"Nous avons rencontré le problème du stockage de couplage CC avec des panneaux solaires mis à la terre positivement. Pour surmonter ce défi, il a fallu installer les optimiseurs CC à isolation galvanique d'Alencon Systems pour créer une masse flottante entre les systèmes PV et les batteries. C'était complètement inattendu lorsque nous avons commencé", explique Fenimore.

"Ce besoin imprévu était requis par les panneaux. Au départ, nous pensions pouvoir résoudre ce problème en apportant simplement des modifications au niveau de l'onduleur. Il s'est avéré que la seule solution consistait à créer une isolation entre le générateur photovoltaïque et les batteries. L'ère de la fabrication des modules solaires peut compliquer l'installation du stockage dans un générateur photovoltaïque existant."

Figure 1 En 2019, Duke Energy a déployé un système de stockage solaire plus couplé en courant continu dans lequel ils ont installé un système de stockage d'énergie par batterie dans un générateur photovoltaïque existant. L'une des clés techniques pour y parvenir consistait à installer les optimiseurs CC-CC isolés galvaniquement d'Alençon pour isoler le système PV positivement mis à la terre des batteries flottantes sur un bus CC commun.

Comme mentionné ci-dessus, l'une des leçons techniques apprises par Duke Energy lors de sa dernière mise à niveau de stockage à couplage CC dans une centrale photovoltaïque existante est la nécessité d'isoler la mise à la terre du système photovoltaïque de la batterie nouvellement installée. Ce n'est généralement pas un problème avec les systèmes solaires et de stockage couplés au courant alternatif, car les onduleurs individuels derrière le PV et les batteries créent automatiquement cette isolation de mise à la terre.

Pour déballer ce défi plus en détail, les systèmes photovoltaïques installés, en particulier ceux connectés aux onduleurs centraux, sont généralement mis à la terre. Dans de nombreux cas, les systèmes photovoltaïques installés sont mis à la terre négativement. Dans le cas du récent projet McAlpine de Duke Energy, la centrale photovoltaïque existante avait un ancien millésime de panneaux SunPower qui avaient une exigence positive de mise à la terre. Les panneaux photovoltaïques peuvent avoir besoin d'être mis à la terre pour un certain nombre de raisons, y compris la nécessité de maintenir leurs performances sur vingt à vingt-cinq ans et de se prémunir contre des conditions telles que la dégradation induite potentielle (PID).

Figure 2 Un appel généralement trouvé sur des dessins tels que construits sur des systèmes PV installés plus anciens avec des panneaux SunPower. De tels appels indiquent l'importance de maintenir le réseau dans une configuration mise à la terre positive. Au contraire, les batteries doivent généralement flotter pour des raisons de sécurité.

D'un autre côté, les systèmes de stockage d'énergie par batterie doivent avoir des sols flottants. Le besoin de sols flottants est une exigence de sécurité essentielle pour les batteries. Plus précisément, cette exigence est nécessaire avec les grands systèmes de batterie car le fait d'avoir une masse flottante permet à deux défauts de se produire pour qu'une situation de sécurité grave se produise. En autorisant deux défauts, le premier défaut peut être détecté par les systèmes de détection de défaut embarqués et déconnecter en toute sécurité la batterie avant qu'un problème ne se produise. Avec toute l'attention portée aux incendies ESS à la suite des récents incidents en Corée du Sud, en Arizona et ailleurs, il est bien sûr essentiel de respecter les consignes de sécurité des fabricants de batteries.

Figure 3 L'isolation galvanique est utilisée lorsque deux ou plusieurs circuits électriques doivent communiquer, mais leurs masses peuvent être à des potentiels différents. Les convertisseurs CC-CC d'Alencon Systems se composent d'un onduleur et d'une section redresseur avec un transformateur d'isolement entre eux pour obtenir une isolation galvanique complète entre l'entrée et la sortie. L'application de l'électronique de puissance au carbure de silicium permet aux appareils d'Alençon d'être très efficaces et petits.

L'isolation galvanique est utilisée lorsque deux ou plusieurs circuits électriques doivent communiquer, mais leurs masses peuvent être à des potentiels différents. L'isolation galvanique est une méthode efficace pour rompre les boucles de terre en empêchant le courant indésirable de circuler entre deux unités partageant un conducteur de terre. Lorsque le CC couple le solaire et le stockage, un convertisseur CC-CC est nécessaire pour cartographier les différences de tension entre le système PV et la batterie. Un convertisseur CC-CC à isolation galvanique, tel que ceux fabriqués par Alencon Systems, sert le double objectif de mapper la tension PV à la tension de la batterie tout en isolant les schémas de mise à la terre différentiels qui pourraient être présents. Dans le cas des produits d'Alençon, ils sont en mesure d'obtenir cet avantage dans un boîtier très compact et efficace grâce à l'application d'une électronique de puissance en carbure de silicium de pointe.

Figure 4 Les convertisseurs DC-DC d'Alençon servent à cartographier les tensions différentielles entre les systèmes PV et les batteries placées sur le même bus DC. Cette cartographie est illustrée ci-dessus.

Au fur et à mesure que de plus en plus de PV arriveront sur le réseau électrique, il y aura un besoin et une incitation accrus à coupler les batteries avec nos ressources PV déjà installées pour assurer le fonctionnement fiable du réseau électrique et maintenir la viabilité de sources de production propres pour nous aider à gagner notre bataille contre le changement climatique. Cependant, la façon dont nous obtenons ces avantages n'est pas sans défis techniques. Heureusement, des solutions technologiques commercialisées et évolutives existent pour résoudre ces problèmes. L'un de ces défis est la nécessité de combiner des systèmes photovoltaïques mis à la terre avec des batteries flottantes, ce qui peut être surmonté grâce à l'application de convertisseurs CC-CC isolés galvaniquement d'Alencon Systems. Heureusement, des innovateurs comme Duke Energy sont prêts à partager leurs expériences pour surmonter ces défis.

Alencon Systems est le premier fabricant d'optimiseurs DC:DC haute puissance et haute tension pour les applications d'énergie alternative, notamment l'énergie solaire, le stockage d'énergie par batterie, les micro-réseaux, les piles à combustible et la recharge de véhicules électriques. Les offres de convertisseurs DC:DC d'Alençon incluent les convertisseurs DC:DC des séries SPOT, BOSS et CUBE.

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