Brevet FR3000264A1 — publié le 20140627

B11830 - DD13341ST 1 GESTION DE BATTERIES HAUTE TEMPÉRATURE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale la gestion de l'énergie dans un réseau de distribution électrique et, plus particulièrement, la gestion de batteries électro5 chimiques haute température de stockage d'électricité. Exposé de l'art antérieur Les batteries, dites haute température, sont des batteries électrochimiques utilisées dans les réseaux de distribution d'énergie. Ce type de batterie est également connu 10 sous la dénomination batteries "Sodium Beta", qui incluent notamment les batteries au sodium/chlorure de nickel (batteries Zebra) ainsi que des batteries au sodium/soufre. Toutes ces batteries sont des batteries de forte capacité (plusieurs dizaines de kilowattheures) et sont généralement implantées sur 15 le réseau électrique de distribution, c'est-à-dire entre les postes de transformation de haute ou moyenne tension vers la basse tension, et les abonnés. Des moyens de stockage d'énergie tels que des batteries sont généralement souhaitables dans les réseaux 20 électriques afin d'absorber les pics de consommation ou de production. En effet, en l'absence de tels éléments de stockage, il est nécessaire de dimensionner le réseau de production et de B11830 - DD13341ST 2 distribution électrique afin que celui-ci soit en mesure de satisfaire la demande et la production, y compris dans des fortes périodes de consommation/production dont les pics ne représentent généralement que quelques heures pendant quelques jours par an. Les batteries haute température constituent des moyens de stockage pratiques dans la mesure où ils peuvent être aisément placés à proximité des sites de consommation, ce qui n'est pas le cas des autres moyens de régulation de distribution d'énergie de type stockage hydraulique. Toutefois, une difficulté est que ces batteries doivent être portées à une température de plusieurs centaines de degrés (typiquement de l'ordre de 300°C) pour fonctionner (en charge et en décharge). Le besoin de porter ces batteries à haute température pour qu'elles fonctionnent fait qu'elles sont en pratique maintenues en permanence à température de fonctionnement. Cela accroit le coût de l'énergie, non seulement en raison du besoin de chauffer les batteries en permanence, mais également car cela limite la durée de vie de ces batteries. En effet, les batteries de type haute température ont une durée de vie limitée de l'ordre d'une dizaine d'années en fonctionnement à haute température. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la 25 présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients liés à l'utilisation de batteries haute température. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est d'accroître la durée de vie des batteries haute 30 température. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est d'optimiser l'utilisation de batteries haute température dans un réseau électrique. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que 35 d'autres, on prévoit un procédé de gestion d'au moins une B11830 - DD13341ST 3 batterie électrochimique haute température, dans lequel la batterie est portée à une température nominale de fonctionnement suite à une détection d'un besoin d'utilisation. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les 5 étapes suivantes : évaluation des capacités de production d'un réseau électrique ; évaluation des besoins en consommation des utilisateurs de ce réseau ; et 10 si les besoins en consommation sont supérieurs aux capacités de production, porter la batterie à sa température nominale de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, les étapes d'évaluation sont effectuées de façon anticipée en tenant compte de la durée 15 nécessaire pour porter la ou les batteries à leur température de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, les étapes d'évaluation sont effectuées quotidiennement pour le jour suivant. Selon un mode de réalisation, la batterie est ramenée 20 à température ambiante si on détecte qu'elle n'a pas besoin d'être utilisée. On prévoit également un procédé de gestion d'énergie dans un réseau électrique, dans lequel des batteries électrochimiques haute température sont utilisées pour stocker l'éner25 gie produite par des centrales solaires décentralisées. On prévoit également un réseau électrique adapté à la mise en oeuvre du procédé de gestion d'énergie. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 30 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'un réseau électrique du type auquel s'applique les modes de 35 réalisation qui vont être décrits ; B11830 - DD13341ST 4 les figures 2A, 2B et 2C sont des chronogrammes illustrant de façon très schématique un exemple de fonctionnement du procédé de gestion d'énergie ; et la figure 3 est un schéma bloc simplifié d'un mode de 5 réalisation du procédé de gestion d'énergie. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Pour simplifier, seules les étapes et 10 éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, les installations de production d'énergie n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les installations usuelles équipant les réseaux. De plus, 15 la constitution d'une batterie électrochimique haute température n'a pas non plus été détaillée, les modes de réalisation décrits étant là encore compatibles avec les batteries usuelles. La figure 1 est une représentation très schématique d'un exemple de réseau électrique du type auquel s'appliquent 20 les modes de réalisation qui vont être décrits. Un tel réseau se retrouve de façon générale dans n'importe quelle région ou pays. Typiquement, un réseau électrique comporte des unités de production 11, par exemple de type centrale nucléaire, thermique, hydraulique, parc éolien, 25 etc., un réseau de transport par exemple aérien 12 (pylônes et câbles) ou enterré entre les unités de production et des postes de transformation très haute tension vers moyenne tension ou basse tension 13. En aval de ces transformateurs ou postes source, on trouve un réseau de distribution 14 chargé de 30 véhiculer la moyenne ou basse tension vers des utilisateurs, par exemple des industries 15, des logements collectifs 16 ou individuels 20, le cas échéant par l'intermédiaire de postes de transformation secondaires 17. Des unités de production (par exemple de type centrale solaire 18) peuvent également fournir 35 directement de l'énergie à un poste de transformation secondaire B11830 - DD13341ST 17. Par ailleurs, il existe de plus en plus de mini- ou micro-centrales de production d'énergie, par exemple, des panneaux solaires 21 installés sur le toit des maisons ou immeubles, qui sont susceptibles de réinjecter de l'énergie sur le réseau. 5 Pour faciliter la régulation et la gestion de l'énergie distribuée en fonction de la demande, le réseau électrique intègre de plus en plus souvent des systèmes de stockage décentralisés, par exemple, des batteries électrochimiques haute température 30. Dans l'exemple de la figure 1, une seule batterie 30 a été représentée associée à un transformateur 17, mais de tels éléments de stockage décentralisés peuvent être répartis à de multiples endroits du réseau. Les figures 2A, 2B et 2C sont des chronogrammes illustrant un exemple de gestion d'énergie dans un réseau électrique à l'aide d'un élément de stockage de type batterie électrochimique à haute température. La figure 2A illustre un exemple d'allure de la production d'énergie (PROD) fournie par les diverses centrales au cours du temps, par exemple au cours d'une journée. La figure 2B illustre l'appel de puissance du réseau (POWER), c'est-à-dire les besoins en consommation. La figure 2C illustre l'allure de l'énergie (BAT) dans la batterie. On suppose qu'au début de la période temporelle considérée, la puissance appelée par le réseau n'excède pas la capacité maximale MAX de production des centrales. On en profite alors pour recharger la batterie (entre les instants tl et t2). L'énergie stockée dans la batterie sert alors à une autre période par exemple de la journée (entre les instants t3 et t4) au cours de laquelle les besoins en énergie du réseau de distribution excèdent la production maximale susceptible d'être fournie par les centrales. Une telle gestion d'énergie évite de devoir surdimensionner le réseau en fonction de pics de consommation épisodiques. Les figures 2A à 2C ont été décrites en relation avec l'utilisation d'un élément de stockage mais, en pratique, en utilisant des éléments de stockage décentralisés, B11830 - DD13341ST 6 ce fonctionnement peut être reproduit au niveau de ces divers éléments de stockage. La durée de vie des batteries électrochimiques haute température est cependant limitée. Cette durée de vie dépend du 5 nombre de cycles (charge-décharge) d'utilisation de la batterie (vieillissement en cyclage), ainsi que du temps (vieillissement calendaire). Pour des batteries de type Sodium-Béta, on considère que le nombre de cycles est de l'ordre de 3000 et que le vieillissement calendaire à la température de fonctionnement 10 (de l'ordre de 300° C) est d'environ 10 ans. L'inventeur a constaté que les batteries pourraient n'être utilisées pour absorber les pics de consommation que de l'ordre d'un cycle par jour et ce pendant quelques mois par an. En estimant le nombre de mois à quatre, cela signifie que la 15 durée de vie de la batterie sera limitée par le vieillissement calendaire alors qu'elle pourrait supporter un plus grand nombre de cycles. Les batteries à haute température sont donc généralement sous-utilisées. Toutefois, le vieillissement calendaire d'une batterie 20 électrochimique haute température n'est pas le même selon que la batterie est au repos à sa température normale de fonctionnement ou au repos à température ambiante. Elle vieillit moins vite à température ambiante, où sa durée de vie est de plusieurs dizaines d'année. 25 L'inventeur s'est aperçu qu'en utilisant les batteries dans des périodes où elles sont réellement utiles du point de vue du réseau électrique, c'est-à-dire dans les périodes où il y a des pics de consommation importants, il était possible d'accroître la durée de vie des batteries en les ramenant à 30 température ambiante en dehors des périodes de fonctionnement. Une difficulté est toutefois qu'il faut plusieurs heures voire une journée pour porter une batterie électrochimique haute température à sa température de fonctionnement. Par conséquent, la réactivité du système pose problème. B11830 - DD13341ST 7 On propose d'exploiter des outils de prédiction de consommation et de prédiction de production d'énergie pour déterminer des périodes pendant lesquelles des batteries électrochimiques sont placées à température de fonctionnement. 5 On exploite alors la possibilité de prévoir, à partir de prévision météorologiques, les périodes de production par les mini-centrales décentralisées (en particulier la production par mini-centrales solaires) du réseau On exploite également la prévision de consommation basée sur l'historique de la 10 consommation ainsi que divers paramètres tels que la météo, l'actualité (par exemple un évènement sportif majeur télédiffusé) pour optimiser la gestion des batteries. Une telle solution est particulièrement adaptée à l'existence de sites de production décentralisés dont les 15 capacités de production sont du même ordre de grandeur de la capacité de stockage des batteries électrochimiques (quelques dizaines de kilowatts). Il est par conséquent désormais possible de disséminer ces éléments de stockage sur l'ensemble d'un territoire pour optimiser et ajuster au mieux la gestion 20 d'énergie en minimisant le transport, source de pertes. La figure 3 est un organigramme simplifié d'un mode de mise en oeuvre du procédé de gestion d'une batterie. Cette figure sera décrite en relation avec un exemple d'utilisation d'une seule batterie mais on notera qu'elle se transpose sans 25 difficulté quel que soit le nombre de batteries. On considère, à titre d'exemple, que le temps nécessaire pour placer une batterie dans ses conditions de fonctionnement (temps nécessaire pour porter la batterie à température de fonctionnement) est de l'ordre d'une journée. Le 30 procédé décrit pourra s'adapter à d'autres durées mais l'exemple d'une journée correspond à un exemple réaliste qui, de surcroît, s'adapte parfaitement à la périodicité de production des centrales solaires (production pendant la journée là où la demande d'énergie est moindre) et à la périodicité des pics de B11830 - DD13341ST 8 consommation (consommation maximale en début et fin de journée là où la production solaire est faible ou inexistante). Dans l'exemple de la figure 3, on évalue quotidien- nement les besoins en consommation (bloc 31, CONS D+1) ainsi que les capacités de production (bloc 32, PROD D+1), en particulier les capacités de production décentralisées. Des outils d'estimation de consommation à partir des prévisions météorologiques, de la période de l'année, des évènements d'actualité attendus, etc., sont connus et utilisables à cette fin. De façon simi10 laire, des outils d'estimation de la production d'énergie et en particulier de la production décentralisée par des minicentrales solaires réparties sur un territoire en fonction de leur localisation et, notamment, des prévisions météorologiques, sont également disponibles et susceptibles d'être utilisés pour 15 effectuer l'estimation de la production du jour suivant. On évalue alors si les besoins en consommation instantanée seront supérieurs aux capacités de production (bloc 33, CONS(D+1) > PROD(D+1) ?). Dans l'affirmative (sortie Y du bloc 33), cela signifie que la batterie doit être mise en 20 fonctionnement, c'est-à-dire pouvoir être chargée pendant des périodes du jour suivant où la production excèdera la consommation pour être ensuite déchargée lors du pic de consommation qui suivra. On tire ici profit du fait qu'il existe toujours, dans une période journalière, des intervalles de temps 25 où la production est supérieure à la consommation (voir les figures 2). On commence (bloc 34, BAT ON ?) par détecter l'état de la batterie (repos à température ambiante (BAT OFF) ou à haute température (BAT ON)), c'est-à-dire si elle est déjà à sa 30 température de fonctionnement par exemple parce qu'elle est en train d'être utilisée pour le jour courant. Dans la négative (sortie N du bloc 34), on procède à un préchauffage de la batterie pour la porter à température de fonctionnement (bloc 35, PRE HEAT). Si la batterie était déjà à B11830 - DD13341ST 9 température de fonctionnement (sortie Y du bloc 34), on saute bien étendu l'étape 35. La batterie est alors utilisable (état BAT ON, bloc 36). Dans le cas où les conditions de consommation attendues pour le jour suivant ne risquent pas d'excéder les capacités de production instantanées (sortie N du bloc 33), la batterie peut alors être placée au repos à température ambiante afin de limiter son vieillissement. Pour cela, on vérifie si la batterie est dans un état de fonctionnement (bloc 37, BAT ON ?). Dans l'affirmative (sortie Y du bloc 37), on ramène la batterie à température ambiante (bloc 38, BAT OFF), c'est-à-dire qu'on arrête les éléments de chauffage de la batterie et elle redescend d'elle- même à température ambiante. Si la batterie est déjà à température ambiante (sortie N du bloc 37), on ne change rien. Les étapes 31 à 38 sont reproduites quotidiennement (bloc 39, NEXT D) ou avec une périodicité correspondant à la périodicité choisie pour placer la batterie en fonctionnement. Cette périodicité peut dépendre, en particulier, de la durée nécessaire pour porter une batterie électrochimique à température de fonctionnement. Le choix de l'instant auquel mettre en oeuvre les étapes 31 à 38 n'a pas d'importance, mais on choisira de préférence toujours la même heure d'un jour à l'autre. Le procédé décrit en relation avec la figure 3 peut être mis en oeuvre à l'aide d'équipements informatiques couramment présents dans les centres de contrôle du réseau électrique. La commande des batteries et notamment leur préchauffage s'effectuent aisément à distance, les équipements d'un réseau 30 électrique étant désormais quasiment tous télécommandables. En mettant en oeuvre un tel procédé de gestion d'énergie, on accroît considérablement la durée de vie des batteries électrochimiques tout en optimisant la gestion du réseau et l'utilisation des éléments de stockage décentralisés. B11830 - DD13341ST 10 Un avantage induit par l'utilisation de batteries haute température est d'aider à maintenir le plan de tension (niveau moyen de la tension) du réseau de distribution sur lequel des unités de production du type centrales solaires peuvent avoir un impact important. En effet, lors de périodes de forte production solaire, le niveau de la tension du réseau a du mal à être régulé, en particulier si la consommation n'est pas importante, la tension a alors tendance à augmenter. Le fait de charger les batteries pendant ces périodes engendre une consommation qui participe à une amélioration du plan de tension. De façon similaire, la décharge des batteries au moment où la consommation devient importante et où la production photovoltaïque chute et risquerait ainsi d'engendrer un effondrement de la tension, fournit de l'énergie permettant d'éviter ou d'amoindrir ce phénomène. Divers modes de réalisation ont été décrits, diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. De plus, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des outils usuels d'estimation de production et de consommation et des outils informatiques adaptés. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'au moins une batterie électrochimique haute température (30), dans lequel la batterie est portée à une température nominale de fonctionnement suite à une détection d'un besoin d'utilisation. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : évaluation (32) des capacités de production d'un réseau électrique ; évaluation (31) des besoins en consommation des 10 utilisateurs de ce réseau ; et si les besoins en consommation sont supérieurs aux capacités de production, porter la batterie à sa température nominale de fonctionnement (35). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les 15 étapes d'évaluation sont effectuées de façon anticipée en tenant compte de la durée nécessaire pour porter la ou les batteries à leur température de fonctionnement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les étapes d'évaluation sont effectuées quotidiennement pour le jour 20 suivant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la batterie est ramenée à température ambiante si on détecte qu'elle n'a pas besoin d'être utilisée. 6. Procédé de gestion d'énergie dans un réseau élec- 25 trique, dans lequel des batteries électrochimiques haute température sont utilisées pour stocker l'énergie produite par des centrales solaires décentralisées, en mettant en oeuvre le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Réseau électrique adapté à la mise en oeuvre du 30 procédé selon la revendication 6.