Chapitre 13 · Sujet 3 sur 3
Le stockage par batteries
À quoi sert une batterie stationnaire dans un bâtiment tertiaire, comment elle est raccordée et protégée, et comment la dimensionner.
Niveau 1
L'essentiel
- Une batterie stationnaire stocke de l'énergie pour la restituer plus tard : surplus photovoltaïque, réduction des pointes, parfois alimentation de secours.
- Elle reste chargée et dangereuse même quand tout est coupé côté réseau : il faut l'isoler par ses propres organes de coupure.
- Un court-circuit côté batterie produit un courant très élevé : les protections côté continu sont indispensables.
- Les batteries au lithium les plus utilisées en stationnaire sont de type lithium-fer-phosphate (LFP) ; elles ont toujours un système de gestion électronique (BMS).
- L'emplacement compte : au-delà de 20 kWh, le RGIE impose une armoire de batteries ou un local du service électrique réservé à cet usage, ventilé et signalé.
Comprendre
À quoi sert une batterie en tertiaire
- Autoconsommation : stocker le surplus photovoltaïque de midi et du week-end pour l'utiliser plus tard (voir Le photovoltaïque en tertiaire).
- Écrêtement des pointes : fournir de la puissance quand le bâtiment consomme beaucoup, pour ne pas dépasser une limite.
- Soutien aux bornes de recharge : permettre plus de recharge sans renforcer le raccordement (voir Bornes de recharge et gestion de charge).
- Secours : seulement si le système est prévu pour fonctionner sans réseau. La plupart des systèmes s'arrêtent quand le réseau disparaît.
Les éléments du système
- les modules de batterie (cellules assemblées) ;
- le BMS, qui surveille chaque cellule (tension, température) et coupe en cas d'anomalie ;
- le convertisseur, qui charge et décharge la batterie ; il peut être combiné à l'onduleur photovoltaïque (onduleur hybride) ou raccordé séparément côté alternatif ;
- les protections et sectionneurs côté continu.
Les dangers
Contrairement aux modules photovoltaïques, une batterie peut débiter un courant de court-circuit énorme, des milliers d'ampères. Un outil qui tombe entre deux bornes peut fondre et provoquer un arc violent. Une cellule lithium endommagée ou surchauffée peut s'emballer : elle chauffe toute seule, dégage des gaz inflammables et toxiques, et le feu est difficile à éteindre. Les batteries au plomb, encore présentes dans les onduleurs et les centrales de sécurité, dégagent de l'hydrogène pendant la charge : leur local doit être ventilé.
Sur le terrain
Dans une PME à Molenbeek équipée de 40 kWc de photovoltaïque, vous installez une batterie LFP de 30 kWh. Comme elle dépasse 20 kWh, elle doit être installée dans une armoire de batteries ou dans un lieu du service électrique réservé à cet usage : ici, une armoire de batteries fermée à clé, au rez-de-chaussée, à l'écart des voies d'évacuation. Avant toute intervention sur la batterie, vous ouvrez le sectionneur continu et vous vérifiez l'absence de tension avec un appareil adapté au continu. Vous utilisez des outils isolés. Sur l'armoire, une signalisation indique la tension nominale, l'interdiction d'accès aux personnes non autorisées, le danger électrique, l'interdiction de fumer et de flammes nues ; au tableau, une étiquette signale la source de tension supplémentaire.
Erreurs fréquentes
- Considérer la batterie hors tension parce que le disjoncteur côté réseau est ouvert.
- Travailler sur les bornes d'une batterie avec des outils non isolés.
- Promettre au client une alimentation de secours alors que le système s'arrête en cas de coupure réseau.
- Installer une batterie de plus de 20 kWh sans armoire de batteries dans un local technique ordinaire, au milieu d'autres équipements, ou sur un chemin d'évacuation.
- Oublier la signalisation de la source supplémentaire au tableau.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Une batterie se caractérise par sa capacité nominale (kWh), sa capacité utile (profondeur de décharge admise), sa puissance (C-rate), son rendement aller-retour et sa durée de vie en cycles.
- Le couplage peut être côté continu (onduleur hybride) ou côté alternatif (convertisseur séparé) ; le second s'adapte mieux à une installation photovoltaïque existante.
- Le courant de court-circuit d'une batterie, limité seulement par sa résistance interne, impose des protections côté continu à fort pouvoir de coupure, au plus près des bornes.
- Le fonctionnement en îlot (secours) suppose une commutation, un neutre et une liaison à la terre recréés correctement : c'est une conception à part entière.
- Le dimensionnement part d'un objectif chiffré (énergie à déplacer, puissance à écrêter) et intègre les rendements et le vieillissement.
Approfondir
Grandeurs caractéristiques
| Grandeur | Signification |
|---|---|
| Capacité nominale | énergie stockée à neuf, en kWh |
| Profondeur de décharge (DoD) | part de la capacité réellement utilisable sans abîmer la batterie |
| C-rate | puissance rapportée à la capacité : 0,5 C = décharge complète en 2 h |
| Rendement aller-retour | énergie restituée / énergie absorbée, pertes de conversion comprises |
| Capacité de fin de garantie | capacité restante garantie après un nombre de cycles ou d'années |
Technologies
Les batteries LFP dominent le stationnaire : bonne durée de vie en cycles et meilleure stabilité thermique que les chimies NMC, au prix d'une énergie massique plus faible. Le plomb reste utilisé dans les onduleurs et les alimentations de sécurité, pour sa simplicité, mais supporte mal les cycles profonds quotidiens. Voir aussi Machines statiques : transformateurs, onduleurs (UPS).
Couplage et pilotage
En couplage continu, la batterie et les modules partagent l'onduleur hybride : un seul appareil, peu de pertes, mais une puissance de décharge limitée par l'onduleur. En couplage alternatif, la batterie a son propre convertisseur raccordé au tableau : plus souple, adaptée à une installation existante. Le pilotage s'appuie sur une mesure au point de raccordement (comme pour la gestion de charge des bornes) et sur une stratégie : autoconsommation, écrêtement, ou combinaison. L'écrêtement n'a d'intérêt économique que si le tarif comprend une composante liée à la pointe (voir Comptage et tarification).
Courant de court-circuit
Le courant de court-circuit d'une batterie se calcule par Icc = U / R interne (plus la résistance des connexions). Avec une résistance interne de quelques milliohms, il atteint des milliers d'ampères en continu. Les fusibles ou disjoncteurs côté continu doivent avoir un pouvoir de coupure en continu supérieur à cette valeur (voir Le courant de court-circuit).
Ce qu'impose le RGIE (Livre 1, chapitre 7.103)
Le chapitre vise, hors installations domestiques, les batteries d'au moins 300 Wh (décharge en 5 h) ou de plus de 120 V, et les chargeurs d'au moins 200 VA :
- au-delà de 20 000 VAh (20 kWh), armoire de batteries ou lieu exclusif du service électrique réservé à cet usage ; batteries isolées électriquement du sol et/ou des parois ;
- entre 120 V et 750 V continu, dans un lieu ordinaire : enveloppe au moins IP2X fermée à clé ; dans un lieu accessible au public, toute batterie fixe est sous enveloppe IP2X fermée à clé ;
- ventilation naturelle de préférence, ou artificielle, qui dilue les produits d'électrolyse et réduit au minimum la formation d'un mélange explosif hydrogène / air ; armoires et coffres en matériau incombustible, avec ouvertures de ventilation ;
- matériel pouvant produire des étincelles placé hors du volume situé au-dessus des batteries (cylindre débordant de 0,50 m de leur bord, sur 0,50 m de haut), sauf batteries dans un compartiment réservé, séparé par une cloison sans ouverture ;
- portes ouvrant dans le sens de l'évacuation, signalisation aux accès, équipements de protection individuelle pour le personnel.
La C10/11 de Synergrid s'applique aussi au stockage qui peut fonctionner en parallèle avec le réseau, même sans injection (webinaire Synergrid, 2023) ; une batterie à convertisseur séparé demande un système de gestion de l'énergie. Restent à voir avec le permis, le service d'incendie et l'assureur : détection, distances, coupure accessible pour les pompiers.
Exemple chiffré
1. Écrêtement de pointe. Un bâtiment atteint 180 kW pendant environ 1,5 h chaque jour ouvrable ; objectif : ne pas dépasser 150 kW. Hypothèses : rendement de décharge (batterie → réseau intérieur) 0,95, rendement de charge 0,95, profondeur de décharge 90 %, capacité de fin de garantie 80 %.
- Puissance à fournir : 180 − 150 = 30 kW → convertisseur d'au moins 30 kW.
- Énergie à fournir côté alternatif : 30 × 1,5 = 45 kWh.
- Énergie à extraire de la batterie : 45 / 0,95 ≈ 47,4 kWh.
- Capacité nominale nécessaire sans vieillissement : 47,4 / 0,9 ≈ 52,6 kWh.
- Pour tenir l'objectif en fin de garantie (80 % de la capacité initiale) : 52,6 / 0,8 ≈ 65,8 kWh à neuf → on retient un système de 70 kWh.
- C-rate en décharge : 30 / 70 ≈ 0,43 C, acceptable pour une batterie LFP courante.
- Énergie de recharge à prélever ou à produire : 47,4 / 0,95 ≈ 49,9 kWh, soit un rendement aller-retour de 45 / 49,9 ≈ 0,90.
2. Courant de court-circuit. Un module de 51,2 V a une résistance interne (hypothèse fabricant) de 10 mΩ. Icc ≈ 51,2 / 0,010 = 5 120 A. Un fusible côté continu de pouvoir de coupure insuffisant exploserait au lieu de couper.
Erreurs fréquentes
- Dimensionner la batterie sur sa capacité nominale en oubliant la profondeur de décharge et les rendements.
- Oublier le vieillissement : l'objectif d'écrêtement n'est plus tenu après quelques années.
- Choisir une protection côté continu sur le seul courant nominal, sans vérifier son pouvoir de coupure en continu.
- Annoncer une fonction de secours sans avoir conçu le fonctionnement en îlot (commutation, neutre, terre).
- Installer une batterie pour écrêter des pointes que le tarif ne facture pas.