Stockage de l'énergie
En raison de la demande croissante d'électricité facilement disponible, les collectivités s'efforcent d'accroître leur utilisation des énergies renouvelables, souvent en synergie avec les technologies existantes et émergentes des systèmes de stockage de l'énergie (ESS). L'énergie éolienne et solaire combinée à des installations de batteries lithium-ion est l'une des solutions qui se développent le plus rapidement, les systèmes de stockage d'énergie étant une partie essentielle de ces systèmes.
Les perspectives du marché
En mars 2019, les deux plus grands sites de stockage d'énergie par batterie à l'échelle des services publics aux États-Unis (US) fournissent chacun 40 MW de capacité électrique : Le système de stockage d'énergie par batterie de la Golden Valley Electric Association en Alaska et le système de stockage de Vista Energy en Californie.
Aux États-Unis, il existe 16 sites de stockage en batterie en fonctionnement qui ont une puissance installée de 20 MW ou plus. Sur les 899 MW de stockage en batterie en fonctionnement installés signalés par les États en mars 2019, la Californie, l'Illinois et le Texas représentent un peu moins de la moitié de cette capacité de stockage. La Californie est de loin en tête avec 230 MW. Voir la figure 1, à droite.
En janvier 2020, le secrétaire américain à l'énergie, Dan Brouillette, a annoncé un programme complet visant à accélérer le développement des technologies de stockage de l'énergie de nouvelle génération qui permettraient aux États-Unis de se positionner en tant que leader mondial.
En 2020, Lux Research indique que le marché mondial du stockage de l'énergie devrait atteindre 546 milliards de dollars d'ici à 2035. L'un des marchés les plus importants sera probablement celui du stockage de l'énergie résidentielle, avec un taux de croissance annuel composé de 76 % et une augmentation des revenus de 8 milliards de dollars au cours des trois prochaines années.
Figure 1 : Capacité de stockage de batteries à l'échelle des services publics aux États-Unis en MW (Image de l'Administration américaine d'information sur l'énergie)
Pourquoi avons-nous besoin du stockage de l'énergie ?
Les consommateurs d'énergie deviennent rapidement des producteurs d'énergie actifs tout en exigeant une énergie propre, fiable et abordable.
L'évolution de la production et de la consommation d'énergie moderne est guidée par trois tendances fortes : les technologies de distribution d'énergie plus abordables, la décarbonisation du réseau électrique mondial par l'intégration d'un plus grand nombre de sources d'énergie renouvelables, et l'émergence des technologies numériques.
Les solutions de stockage d'énergie par batterie offrent une nouvelle souplesse d'application et une nouvelle valeur commerciale tout au long de la chaîne de valeur énergétique, depuis la production, le transport et la distribution d'énergie conventionnelle jusqu'aux secteurs industriels et commerciaux, en passant par l'énergie renouvelable. Le stockage de l'énergie permet diverses applications, notamment le renforcement de la production renouvelable, la stabilisation du réseau électrique, le contrôle du flux d'énergie, l'optimisation du fonctionnement des actifs et la création de nouveaux revenus.
Pour les développeurs d'énergies renouvelables, le stockage de l'énergie offre une alternative plus rapide à un accord d'achat d'électricité (AAE), qui peut avoir un délai d'un an ou plus. Pour les services publics, le stockage de l'énergie offre une pertinence avec l'augmentation de la production distribuée. Le stockage de l'énergie peut aider les développeurs d'énergies renouvelables à accroître la répartition et la prévisibilité des énergies renouvelables, en les aidant à respecter les codes stricts et les permis de raccordement.
Utilisation de dispositifs d'alimentation en Si traditionnels dans les systèmes d'énergie électrique (ESS)
La conception d'onduleurs bidirectionnels de haute puissance avec des transistors de puissance en silicium (Si) réduira les performances de puissance du système en raison de pertes de conduction et de commutation élevées. Le rendement s'en ressentira, il faudra plus de refroidissement et plus d'espace sur la carte, contrairement à l'utilisation de dispositifs à large bande passante (WBG), tels que le nitrure de gallium (GaN) ou le carbure de silicium (SiC).
Si les fréquences de fonctionnement sont plus basses, il faudra des inductances et des condensateurs de filtrage plus grands, ce qui entraînera une augmentation du coût, du poids et du volume de la conception. L'augmentation des pertes dans les inductances réduira également l'efficacité.
Les dispositifs d'alimentation WBG offrent les meilleures solutions de stockage d'énergie
Transistors de puissance GaN
Un bon exemple de dispositif de stockage d'énergie distribué (DESD) incorpore un convertisseur DC-DC bidirectionnel isolé avec des transistors GaN de 650V. Le DESD intègre une batterie Li-ion basse tension de 13,2 V, un convertisseur CC-CC bidirectionnel intégré et un système de communication sans fil. Ces trois éléments peuvent être regroupés, ce qui permet de les connecter directement au réseau de courant continu à haute tension (380 V). Cela permet une approche modulaire pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie. Deux transistors GaN à mode d'amélioration de 650 V sont utilisés du côté haute tension. Un convertisseur 400V vers 12V DC (par exemple, alimentation auxiliaire), 1kW pour 1kWh DESD est illustré dans la figure 2, à droite.
Les dispositifs de puissance GaN permettent une nette amélioration par rapport à un dispositif Si. Les transistors GaN améliorent les performances en étendant la plage de fonctionnement à la charge légère, en réduisant les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques, et en augmentant l'efficacité totale des opérations de charge et de décharge.
Un demi-pont à prise centrale, avec un étage de puissance à pince active, peut être conçu pour offrir des avantages considérables en matière de conversion d'énergie bidirectionnelle à basse tension et à courant élevé. Voir la figure 3, à droite.
Les commutateurs de puissance GaN étendront également la zone de fonctionnement sûre (SOA) et augmenteront l'efficacité par rapport aux dispositifs Si. Les dispositifs GaN atteignent cette performance améliorée par rapport aux dispositifs Si en raison de la plus petite capacité COSS qui permet de réduire les pertes à l'arrêt, ce qui peut permettre au convertisseur de fonctionner dans un mode de commutation dur. De plus, le temps et la charge de récupération inverse de la diode de corps dans un dispositif GaN sont quasiment nuls, ce qui raccourcit le temps de coupure lorsque les commutateurs côté haute tension fonctionnent en mode redresseur.
Transistors de puissance SiC
La technologie du carbure de silicium (SiC) offre une autre excellente amélioration de la puissance par rapport au Si au cœur des solutions ESS. Les solutions de semi-conducteurs de puissance SiC peuvent offrir un rendement supérieur d'au moins 50 % à celui du Si et supporteront facilement des tensions plus élevées à l'échelle du réseau. Au niveau du système, l'efficacité, la densité de puissance et la vitesse de commutation rapide qu'offrent les dispositifs d'alimentation en SiC se traduisent par des performances accrues.
Utilisation d'un module SiC : Afin d'atteindre des vitesses de commutation élevées avec de faibles pertes de commutation, un boîtier peut être conçu pour obtenir une faible inductance parasite à la fois pour le module et pour la conception de la barre omnibus au niveau du système.
Les boucles de courant à l'intérieur des modules Wolfspeed sont larges, de faible profil et permettent une distribution uniforme entre les dispositifs, ce qui se traduit par des impédances équivalentes à travers une position de commutation. Les bornes d'alimentation du module sont également décalées verticalement. Cela permet de concevoir un bus simple entre les condensateurs de liaison CC et le module, laminé jusqu'au module sans nécessiter de coudes, de pièces de monnaie, d'entretoises ou d'isolation complexe. Le résultat est une inductance parasite de la boucle de puissance de seulement 6,7 nH à 10 MHz - comme démontré dans la conception de référence de l'onduleur XM3. Voir la figure 4, à droite.
Avec la moitié du poids et du volume d'un module standard de 62 mm, la plate-forme de modules de puissance XM3 de Wolfspeed maximise la densité de puissance (jusqu'à 450 A) tout en minimisant l'inductance de la boucle et en permettant un simple busage de l'alimentation. Voir la figure 5, à droite.
Le boîtier optimisé pour le SiC du XM3 permet un fonctionnement en jonction continue à 175 °C.
Les systèmes de stockage d'énergie sont essentiels pour le marché des énergies renouvelables qui connaît une croissance rapide dans le monde entier. L'utilisation de dispositifs de puissance au silicium dans une telle conception ne rend pas justice à la taille, au poids et à la puissance de ces systèmes par rapport à l'utilisation de dispositifs WBG qui amélioreront également considérablement l'efficacité et fonctionneront à des tensions plus élevées.
Figure 2 : Conception d'un micro-réseau de 380 V CC avec des dispositifs de stockage d'énergie distribués (DESD) et des ressources d'énergie renouvelable distribuées (DRER) (Image tirée de la référence 1)
Figure 3 : Une architecture demi-pont à prise centrale, utilisant un convertisseur à pince active, emploie des transistors GaN comme élément de puissance du côté haute tension (image tirée de la référence 1).
Figure 4 : Vue latérale du module XM3 avec les fils d'alimentation non planaires (Image de Wolfspeed)
Figure 5 : Schéma de bus d'un onduleur triphasé (Image de Wolfspeed)
Références
- Distributed Energy Storage Device Based On A Novel Bidirectional DC-DC Converter With 650V GaN Transistors, Fei Xue, Ruiyang Yu, Wensong Yu, Alex Q. Huang, FREEDM Systems Center, North Carolina State University, IEEE 2015.
