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Comment déterminer la capacité d'un système BESS en fin de vie, et non dès le premier jour : explications
La capacité indiquée sur la plaque signalétique à la livraison indique aux clients ce qu’une batterie peut stocker lorsqu’elle est neuve, et non ce qu’elle sera en mesure de fournir de manière fiable plusieurs années plus tard. Ce guide explique précisément comment calculer la capacité en début de vie à partir d’une obligation en fin de vie et comment remettre en question les hypothèses peu fiables des fournisseurs.
Un système de stockage d'énergie par batterie présenté comme ayant une capacité de 30 kWh peut effectivement stocker environ cette quantité dans les conditions d'essai en usine lorsqu'il est neuf ; toutefois, l'énergie en courant alternatif effectivement disponible pour le consommateur peut s'avérer nettement inférieure une fois pris en compte les contraintes liées à la profondeur de décharge, les pertes au niveau de l'onduleur, la consommation auxiliaire, le déclassement lié à la température, les temps d'arrêt et la perte progressive de capacité au fil du temps.
Alors, pourquoi quelqu’un voudrait-il comparer une obligation à dix ans à un facteur d’évaluation tout juste sorti d’usine ?
Je ne le ferais pas.
La réalité, c'est qu'une grande partie du secteur des batteries fonctionne encore selon une approche prospective : on part d'une taille de produit, on estime un chiffre positif d'énergie utilisable, puis on aborde la question de la détérioration plus tard. Une bonne approche pour le dimensionnement d’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) consiste à procéder à l’envers. On commence par déterminer la puissance qui doit atteindre la charge à la fin de la durée de fonctionnement prévue, puis on calcule la capacité de batterie nécessaire dès le premier jour.
Ignorer cette différence revient désormais beaucoup plus cher. Les États-Unis ont ajouté 6,4 GW de stockage par batterie en 2023, soit une augmentation annuelle de 70%, tandis que la capacité des batteries à l'échelle industrielle a dépassé les 26 GW en 2024 après l'installation de 10,4 GW supplémentaires. Un développement à ce rythme accentue les faiblesses techniques aussi rapidement qu'il met en valeur les bonnes pratiques d'ingénierie.
La capacité dès le premier jour n'est pas la capacité dont bénéficie le projet
Ce n'est pas parce que la batterie d'un équipement a réussi un test de réception lors de sa mise en service que cet équipement génère des revenus, garantit la continuité de service ou remplit ses engagements en matière de performances.
Cette mission prend toute sa valeur en fournissant la puissance et la force nécessaires dès son engagement.
Prenons l'exemple d'une batterie domestique d'une capacité nominale de 30 kWh. L'étiquette répond à une question bien précise : quelle est la puissance électrochimique que le fabricant considère comme la capacité nominale dans des conditions spécifiées ? Elle ne répond pas directement à la question suivante :
Quelle est la consommation en kilowattheures du climatiseur ?
Que se passe-t-il après 3 000 cycles complets comparables ?
Quelle est la capacité qui se maintient tout au long du mois le plus chaud ?
La garantie couvre-t-elle une profondeur de décharge de 100% ?
Les systèmes CVC, les dispositifs de régulation, les pompes et la capacité de secours sont-ils inclus ?
Quel état de bien-être justifie une amélioration ou un remplacement ?
La valeur garantie est-elle mesurée au niveau des bornes des cellules, du bus CC ou du point d'interconnexion ?
Ce ne sont pas de simples notes techniques. C'est le cœur même du métier.
Le cadre d’analyse de Sandia pour le stockage d’énergie à longue durée de 2024 considère le taux de dégradation comme une variable de performance influencée par les conditions environnementales, la profondeur de décharge, le prix de la charge et le débit de décharge. Sa matrice des facteurs concurrentiels distingue en outre la capacité énergétique, la puissance nominale, le rendement aller-retour, la dégradation, les temps d’arrêt, la plage de températures et la consommation auxiliaire, au lieu de les regrouper sous un seul chiffre global.
C'est là l'état d'esprit qu'il faut adopter. La capacité d'analyse est une succession de déductions.
Définir les obligations liées à la fin de vie avant de choisir une batterie
La première étape dans le dimensionnement d'un système de stockage d'énergie par batterie ne consiste pas à choisir entre le phosphate de fer lithié, un onduleur ou une armoire.
Il s'agit de rédiger une déclaration relative aux choix de fin de vie.
Une affirmation défendable pourrait être la suivante :
À la fin de la 10e année, le BESS devra fournir une puissance de 30 kWh pour le climatiseur, selon le coefficient de liaison, au cours d'une décharge de quatre heures, à la température ambiante de conception définie, sans dépasser la plage de charge requise.
Pour l'instant, nous disposons d'un objet qui peut être fabriqué.
La déclaration d'engagement doit définir au moins 6 limites :
Énergie fournie requise : Les kilowattheures du côté courant alternatif qui doivent parvenir à la charge ou au réseau.
Puissance de décharge requise : L'engagement en kW ou en MW en continu.
Durée du contrat : Années, cycles, débit ou toute autre limite atteinte en premier.
Point de dimension : Cellule, composant, bus CC, résultat de l'onduleur ou compteur de bénéfices.
Conditions d'utilisation : Température, altitude, état de la batterie, taux de décharge (C-rate) et temps de réponse.
Demande de rendez-vous : Qu'il s'agisse d'un composant, d'une étagère, d'un onduleur ou d'un système de chauffage et de climatisation qui ne fonctionne plus, cela peut nuire aux résultats escomptés.
Simple ? Pas vraiment.
Une batterie de 40 kWh couplée à un onduleur de 12 kW ne constitue pas automatiquement un système d'une capacité utile de 40 kWh. Le système connecté Système domestique de stockage d'énergie photovoltaïque de 12 kW équipé d'une batterie de 40 kWh fournit des indications utiles pour la configuration – 15 kW de panneaux photovoltaïques, un onduleur de 12 kW et une petite capacité de stockage de 40 kWh –, mais la composition chimique, la tension, la garantie contre la détérioration et la plage de fonctionnement doivent encore être précisées avant de pouvoir déterminer le rendement en fin de vie du système.
Le produit est le point de départ. L'accord d'efficacité est l'objectif.
La formule de dimensionnement du système BESS qui pose problème
Pour un premier calcul approximatif, j'utilise la structure suivante :
E_EOL = puissance requise du climatiseur en fin de vie
SOH_EOL = état de santé et de bien-être en fin de vie, tel qu’il est envisagé ou modélisé
DoD_usable = profondeur de décharge utile autorisée
η_discharge = Rendement du circuit de décharge courant continu-courant alternatif
F_température = réduction de la capacité ou de la puissance à la température de conception
F_disponibilité = marge de sécurité pour les pannes ou les composants inaccessibles
F_auxiliaire = marge pour le refroidissement et le chauffage, les systèmes de gestion, les pompes et autres charges parasites
Chaque aspect doit s'appuyer sur les mêmes critères d'évaluation et les mêmes bases d'examen.
Cette phrase semble mériter d'être soulignée. Elle est systématiquement bafouée.
Un fournisseur peut estimer les performances maximales de l'onduleur 95%, un autre peut estimer les performances aller-retour de la batterie, et un troisième pourrait déduire une consommation auxiliaire dépassant les limites garanties. Additionner ces chiffres sans en intégrer les interprétations donne une précision de tableur, mais aboutit à un non-sens technique.
Une discussion menée en 2024 avec Sandia dans le cadre d'une évaluation du stockage d'énergie a mis en évidence la nécessité de définir l'efficacité aller-retour à différents états de charge et de modéliser la dégradation due aux cycles de charge, plutôt que de considérer les performances des batteries comme une valeur figée.
Ma ligne de conduite est claire : lorsqu'un fournisseur communique un pourcentage d'efficacité sans préciser de courbe de charge, de plage de température, de plage d'état de charge ou de conditions d'utilisation, je considère cela comme une simple affirmation publicitaire.
Exemple concret : fourniture de 30 kWh au cours de la 10e année
On pense que le système doit tenir ses promesses 30 kWh de climatisation à la 10e année.
Utilisez les hypothèses suivantes à titre d'exemple :
Le surdimensionnement implicite du système BESS est d'environ :
49,6 ÷ 30 = 1,65
Ainsi, un équipement nécessitant 30 kWh d'énergie fiable pour la climatisation en fin de vie pourrait nécessiter pratiquement 50 kWh de puissance nominale dès le premier jour, selon ces hypothèses.
C'est justement cet écart qui fait toute l'histoire.
Même si l'usage complémentaire était déjà pris en compte ailleurs et supprimé de la formule, la demande concernerait certainement toujours 47,1 kWh, et non 30 kWh. Un petit système de 30 kWh, sur la base des hypothèses restantes, ne fournirait certainement qu’environ 19,1 kWh concernant le problème de fin de vie mentionné.
À titre de comparaison, le Kit photovoltaïque domestique de 8 kW avec une capacité de stockage de 30 kWh comprend un système photovoltaïque de 9,6 kW, un onduleur de 8 kW et une batterie de 30 kWh. Cela pourrait convenir à plusieurs applications résidentielles, mais son adéquation à un besoin de distribution de 30 kWh sur dix ans ne peut être établie sur la seule base de la capacité nominale, car la fiche produit ne précise pas la composition chimique de la batterie, sa tension, la garantie relative à son état de santé ni la limite d’énergie utilisable.
Il ne s'agit pas ici d'une critique visant un produit en particulier. C'est une leçon à retenir pour l'ensemble du secteur en matière d'achats.
Quelles hypothèses de destruction permettent réellement de trouver la solution ?
La dégradation du BESS ne se résume pas à un simple pourcentage annuel.
Le vieillissement calendaire se poursuit tant que la batterie reste inutilisée. Le vieillissement par cycles s'accélère avec le débit de puissance. Un état de charge élevé, des cycles de décharge profonde, une température élevée des cellules, une charge agressive, une disparité entre les cellules et un fonctionnement répété à des tensions proches des limites peuvent accélérer la perte de capacité ou le développement de résistance. Le modèle 2024 de Sandia identifie clairement les conditions ambiantes, la profondeur de décharge, le taux de charge et le taux de décharge comme facteurs de dégradation.
La chimie a aussi son importance.
Le phosphate de fer et de lithium, créé sous la forme de LiFePO FOUR et souvent désignée par l'acronyme LFP, est largement plébiscitée pour le stockage stationnaire, car son mode de fonctionnement diffère de celui des composés riches en nickel tels que le NMC. Toutefois, cette appellation chimique ne supprime pas les différences en matière de conception et de fabrication des cellules, de surveillance thermique, de limitations du système de gestion de batterie (BMS), d'uniformité de fabrication et de politique de garantie.
2 Les systèmes LFP peuvent vieillir de manière différente.
L'approche la plus efficace pour le dimensionnement d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) repose donc sur une courbe de dégradation, et non sur une simple valeur de rétention prise isolément et sans fondement. Il convient au minimum d'exiger :
Présomptions relatives à l'âge chronologique fondées sur les relevés de température annuels
Hypothèses relatives au vieillissement cyclique en fonction de la profondeur de décharge et du taux de charge (C-rate)
Signification de « cycle complet égal »
Courbe de conservation de l'énergie infaillible par année
Débit garanti en MWh
Résistance dimensionnelle et procédure d'essai
Exigences en matière d'équilibrage et de recalibrage des cellules
La capacité de puissance en fin de vie, et pas seulement la conservation de l'énergie
Exclusions de garantie relatives à l'état de charge en veille et au niveau de température de fonctionnement
Le Programme fédéral de suivi de l’énergie du Département américain de l’Énergie a publié, le 8 juillet 2024, une liste d’achats de systèmes de stockage d’énergie par batterie lithium-ion (BESS) à usage industriel, fournissant ainsi aux agences gouvernementales des missions standardisées, des demandes d’informations techniques et des points de référence pour le développement précoce de ces projets. Il s’agit là d’un précédent discret mais important : les acheteurs avertis sont incités à adopter un processus d’approvisionnement structuré plutôt que de se contenter d’une fiche technique séduisante comme base de conception.
Tableau des niveaux de sensibilité : de minuscules ajustements des hypothèses, d'importants ajustements des capacités
Le tableau ci-dessous se base sur une exigence de 30 kWh pour un climatiseur en fin de vie. Les valeurs sont données à titre indicatif et ne doivent pas modifier le plan de démantèlement approuvé par le fabricant.
Scénario
Fin de vie (EOL) – État de santé (SOH)
DoD fonctionnel
Rendement de libération
Température variable
Disponibilité
Variable complémentaire
Une compétence requise dès le premier jour
Proposition optimiste
90%
95%
97%
100%
99%
98%
37,7 kWh
Exemple de mise en page équilibrée
85%
90%
95%
97%
98%
97%
44,0 kWh
Affaire classique d'une durée de dix ans
80%
90%
95%
95%
98%
95%
49,6 kWh
Cas de températures extrêmes
75%
85%
93%
90%
97%
93%
61,8 kWh
Une seule cellule d'une feuille de calcul peut faire varier les achats de plusieurs dizaines de kilowattheures.
Quelle hypothèse le commercial remettra-t-il en cause en premier lieu ? En général, celle qui fait augmenter le taux de l'estimation de prix. Quelle hypothèse le propriétaire remettra-t-il en cause en premier lieu ? Celle pour laquelle les éléments de preuve sont les moins solides.
Pour les applications de moindre envergure, on utilise exactement les mêmes calculs. Le Kit complet de système de stockage d'énergie solaire domestique de 5 kW avec une batterie de 20 kWh comprend un parc photovoltaïque de 6 kW et un onduleur de 5 kW ; toutefois, une batterie d’une capacité nominale de 20 kWh produirait certainement environ 12,7 kWh selon le seuil de fin de vie utilisé dans l’exemple présenté, avant prise en compte de toute marge de réserve distincte.
La portée change. La physique, elle, ne change pas.
Prendre une taille au-dessus dès le premier jour ou l'augmenter plus tard ?
Il existe deux approches traditionnelles.
Surdimensionnement initial prévoyant d'emblée une capacité de batterie suffisante pour respecter les obligations liées à la fin de vie, sans avoir à ajouter de modules par la suite.
Augmentation prévue met en place un premier système de plus petite taille et ajoute des blocs de batteries au cours de la période d'exploitation, à mesure que la capacité diminue.
Le surdimensionnement est plus simple à mettre en œuvre. Il réduit les risques liés aux achats futurs, à la compatibilité, à la mise en service des installations, à l'intégration des logiciels, ainsi que le risque que le format de cellule d'origine ne soit plus fabriqué.
Mais cela immobilise également des capitaux dès le début, peut alourdir les contraintes liées à la gestion thermique, occupe encore plus d'espace et peut entraîner une sous-utilisation des capacités initiales.
La mise à niveau s'avère économiquement intéressante pour un modèle, car l'investissement est différé. Elle suppose toutefois des composants compatibles, des caractéristiques de tension adaptées, un espace disponible dans le rack, la prise en charge du BMS, une capacité de réserve de l'onduleur, des prestataires de services qualifiés, une collaboration en matière de garantie et une fenêtre d'indisponibilité acceptable dans plusieurs années.
C'est une longue liste d'hypothèses.
Et j’ai un point de vue bien arrêté à ce sujet : une extension ne doit jamais se résumer à une simple note vague indiquant “ ajouter des batteries au cours de la septième année ”. Il doit s’agir d’un cahier des charges bien défini, comprenant l’empreinte prévue, les interfaces électriques, la conception des systèmes de communication, les études de défense, les capacités thermiques, les essais de mise en service, les activités d’approvisionnement, ainsi qu’un responsable désigné pour ces travaux.
Une technique de croisement est souvent bien plus pertinente :
Mettre en place une capacité suffisante pour faire face à la dégradation modélisée au cours des toutes premières années d'exploitation.
Identifier les aspects physiques et électriques à améliorer.
Définir un déclencheur d'optimisation en fonction de la consommation énergétique mesurée du climatiseur, et non pas uniquement en fonction du jour de la semaine.
Exiger un contrôle annuel des compétences dans le cadre d'épreuves reproductibles.
Maintenir les distances de sécurité autour des onduleurs et des transformateurs lorsque cela se justifie d'un point de vue économique.
Les questions relatives à l'achat qui révèlent les faiblesses du dimensionnement des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)
Avant d'accepter une proposition concernant des batteries, je demanderais au fournisseur de répondre par écrit aux questions suivantes :
La capacité nominale est-elle évaluée au niveau de la cellule, du module, du rack, du bus CC ou du compteur CA ?
Quelle puissance de climatisation est garantie lors de la commande ?
Quelle puissance en courant alternatif est garantie à l'expiration de la période de garantie ?
La garantie est-elle basée sur le nombre d'années, les cycles, le débit ou la première limite atteinte ?
Quelle courbe d'état de santé sert de base au dimensionnement de la capacité du BESS ?
Quel profil de température annuel a été établi ?
Quelles étaient les valeurs prévues pour la profondeur de décharge et l'état de charge normal ?
La climatisation et les commandes sont-elles incluses dans la garantie de rendement ?
Comment la capacité est-elle testée, traitée et arrondie ?
Quelle résistance dimensionnelle s'applique ?
La capacité d'alimentation est-elle garantie en fin de vie ?
Cela couvre les frais liés au personnel supplémentaire, à la livraison, à la mise en place et aux temps d'arrêt ?
Peut-on mélanger des modules neufs avec des modules anciens ?
Que se passe-t-il si le module d'origine est arrêté ?
La garantie couvre-t-elle la conservation de l'énergie ou se limite-t-elle au remplacement du matériel défectueux ?
Appréciez la tournure de phrase.
“ Un rendement pouvant atteindre 95% ” ne correspond pas à une performance de fonctionnement annuelle garantie. La “ garantie de dix ans ” ne correspond pas à une capacité de 801 TP3T d’énergie CA utilisable après 10 ans. La mention “ 6 000 cycles ” n’a de sens que si la profondeur de décharge, le niveau de température, le taux de charge (C-rate) et la limite de fin de vie sont définis.
L'énoncé doit résister à l'épreuve des mathématiques. Ensuite, il doit passer le test des procédures.
Foire aux questions
Qu'entend-on par « capacité des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) en fin de vie » ?
La capacité d'un système de batteries (BESS) en fin de vie correspond à la puissance de réseau qu'un système de batteries est capable de fournir avec précision à l'année de mise hors service ou au nombre de cycles spécifiés, après prise en compte de la dégradation de la capacité, de la profondeur de décharge admissible, des pertes de conversion, du déclassement lié à la température, de la consommation auxiliaire, de la disponibilité et de tout élément comptable ne pouvant faire l'objet d'une dépréciation.
Il convient de le mentionner à un point de mesure bien défini, de préférence au point de raccordement au réseau alternatif lorsque le maître d'ouvrage est responsable de l'alimentation électrique d'un lot ou du réseau.
Comment calcule-t-on la capacité d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) en fin de vie ?
Pour calculer la capacité du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) en fin de vie, divisez l'énergie requise fournie en courant alternatif par un coefficient tenant compte de la durée de vie prévue, de la profondeur de décharge utile, du rendement du circuit de décharge, du déclassement thermique, du calendrier d'utilisation et des charges auxiliaires, puis arrondissez à la valeur supérieure pour obtenir une configuration réalisable avec une marge technique.
On obtient ainsi la puissance nominale en début de cycle de vie. Il convient ensuite d'examiner individuellement la puissance nominale, car un nombre suffisant de kWh ne garantit pas une puissance en kW suffisante pendant toute la durée de décharge.
Qu'est-ce qu'une variable de surdimensionnement BESS ?
L'un des aspects liés au surdimensionnement d'un système BESS réside dans le coefficient multiplicateur appliqué à l'énergie fournie requise en fin de vie, afin de déterminer la capacité nominale initiale plus élevée nécessaire après prise en compte de la destruction, des limites de la plage de fonctionnement, des pertes d'efficacité, des effets de la température, des charges d'appui et des réductions liées à l'accessibilité.
Par exemple, un facteur de surdimensionnement de 1,65 signifie qu'une obligation de fin de vie de 30 kWh nécessite une capacité installée initiale d'environ 49,5 kWh.
L'état de santé de la batterie 80% correspond-il toujours à l'hypothèse de départ ?
Le taux de bien-être de 80 % est un critère de référence contractuel courant, et non une constante physique universelle, car la capacité de rétention réelle dépend de la composition chimique, de la structure cellulaire, de l’âge chronologique, du nombre de cycles complets équivalents, de la profondeur de décharge, du taux de charge (C-rate), de la température ambiante, de la qualité de l’équilibrage et des problèmes liés à la mesure précise de la garantie.
Utilisez la référence 80% uniquement lorsque celle-ci correspond au contrat, à la conception de la détérioration, au profil d'exploitation et aux conditions d'essai de capacité. Dans le cas contraire, il s'agit simplement d'un chiffre rond pratique.
Faut-il dimensionner un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) à la hausse dès le départ ou l'étendre ultérieurement ?
Le surdimensionnement permet d'installer une capacité de batterie bien supérieure dès la mise en service, tandis que la mise à niveau consiste à ajouter des composants ultérieurement pour récupérer la capacité perdue ; le choix de la meilleure option dépend du calendrier d'investissement, de la compatibilité future des composants, des dispositions fiscales et de financement, des temps d'arrêt, de l'impact, de la conception thermique, des conditions de garantie, ainsi que de la capacité du propriétaire à supporter les risques liés à la mise en œuvre plusieurs années après la mise en service.
Une stratégie hybride donne souvent de bons résultats ; toutefois, il convient d'intégrer dès le départ des améliorations au niveau des systèmes électriques, mécaniques et thermiques, des systèmes de commande et de l'architecture contractuelle.
Mettre l'accent sur la responsabilité, pas sur la brochure
Le dimensionnement du BESS doit répondre à une préoccupation :
Quelle puissance le système doit-il encore fournir lorsqu'il est usagé ?
Commencez par là. Définissez les besoins en climatisation, la période de refoulement, la durée du contrat, la température de fonctionnement, la disponibilité, l'état du revêtement de sol, la profondeur utile de refoulement et la limite complémentaire. Puis remontez en amont jusqu'à la capacité requise dès le premier jour.
Ne laissez pas la plaque signalétique dicter la demande.
Pour un projet domestique ou un projet « solaire + stockage », comparez les formules disponibles une fois que l'estimation de la durée de vie utile est définitive. Évaluez les options de systèmes de 20 kWh, 30 kWh et 40 kWh en fonction de votre consommation réelle en tonnes, de la durée de l'autonomie de secours, des contraintes de température et de vos besoins de stockage, puis demandez un devis basé sur l'énergie utile garantie jusqu'à la fin de vie du système plutôt que sur le faible nombre de kWh disponibles dès le premier jour.
