Batteries de stockage : un maillon clé pour la flexibilité du réseau

Par définition, un système de stockage d'énergie par batterie, plus couramment appelé BESS (Battery Energy Storage System), est une installation capable de stocker de l'électricité sous forme d'énergie chimique, puis de la restituer au réseau électrique lorsque nécessaire. Contrairement aux batteries que l'on utilise au quotidien dans nos appareils électroniques, les BESS sont des infrastructures de grande envergure, conçues pour répondre aux besoins du réseau électrique à l'échelle industrielle.

 

La composition et le fonctionnement d'un BESS

Un système BESS repose sur trois composants principaux, et chacun d’entre eux est nécessaire au bon fonctionnement du système, afin de garantir un stockage efficace de l’électricité, et une restitution de cette dernière au bon moment :

• Les cellules de batterie constituent le cœur du système, elles stockent l'énergie électrique en la convertissant en énergie chimique, et sont assemblées en modules pour atteindre la capacité souhaitée ;
• Les onduleurs transforment le courant continu (CC) des batteries en courant alternatif (CA) compatible avec le réseau, ce qui permet à la fois de charger les batteries, et de restituer l'énergie stockée ;
• Le contrôleur (ou BMS, Battery Management System) surveille en permanence les performances des cellules ; il assure également la sécurité de fonctionnement, maintient l'équilibre de charge et permet une supervision à distance.

Sur le plan pratique, les BESS sont généralement installées dans des conteneurs standardisés, car cela favorise à la fois leur transport et leur déploiement. Chacun de ces conteneurs peut héberger une puissance d'environ 2 MW, ainsi qu’une capacité de stockage qui peut atteindre 4,5 MWh. Il faut également garder à l’esprit qu’en général, la taille finale d’une installation va dépendre des besoins du projet, mais aussi des possibilités de raccordement au réseau électrique à proximité du site.

En ce qui concerne le raccordement au réseau, il s'effectue via des postes de transformation qui sont chargés d’adapter la tension produite par le BESS à celle du réseau électrique. C’est ce système qui permet ainsi d’injecter de l’électricité lorsque le réseau en a besoin, ou au contraire de stocker les excédents d’énergie disponible.

 

BESS, terminologie et définitions courantes

Pour bien appréhender le fonctionnement des systèmes de stockage par batteries, il est utile de maîtriser quelques termes techniques couramment employés dans ce domaine :

• L'état de charge (ou SoC pour State of Charge) représente le niveau d'énergie actuel d'une batterie, exprimé en pourcentage. Il indique la quantité d'énergie disponible à un instant donné, à l'image d'une jauge de carburant.
• La profondeur de décharge (ou DoD pour Depth of Discharge) mesure la proportion de la capacité totale d'une batterie qui a été utilisée. Une DoD de 80 % signifie que 80 % de l'énergie stockée a été restituée.
• Le rendement aller-retour (ou RTE pour Round-Trip Efficiency) est un indicateur clé de performance. Exprimé en pourcentage, il représente le rapport entre l'énergie récupérée du BESS et l'énergie initialement consommée pour le charger. Il tient également compte des pertes liées à la conversion et à la dissipation thermique.
• Le taux de cycle désigne le nombre de cycles complets de charge et de décharge qu'un BESS peut effectuer par jour. Ce paramètre influe directement sur la durée de vie des batteries, et sur leur rentabilité.
• Le courant de charge maximal correspond à l'intensité maximale que les batteries peuvent accepter lors de la charge. En général, cette valeur dépend de la capacité de la batterie, de sa composition chimique, ainsi que des caractéristiques de l'onduleur utilisé

Qu’il s’agisse de l’essor des énergies renouvelables, ou encore de l’électrification de plus en plus forte de nos usages quotidiens, ces dernières années, le réseau électrique français fait face à d’importantes transformations. Ces changements altèrent aujourd'hui l'équilibre de notre réseau, plus que ça n’a jamais été le cas.

La flexibilité énergétique devient donc indispensable pour assurer la stabilité et la fiabilité de l’approvisionnement en électricité.

La variabilité des énergies renouvelables

Contrairement aux centrales thermiques ou nucléaires qui produisent de l'électricité de façon stable et continue, les énergies renouvelables comme le solaire et l'éolien dépendent directement des conditions météorologiques. D’un côté, une centrale photovoltaïque produit au maximum en milieu de journée, mais s'arrête totalement la nuit. De l’autre, une éolienne tourne lorsque le vent souffle, mais reste inactive par temps calme.

Pourtant, le réseau électrique se doit de maintenir à tout instant un équilibre entre production et consommation, car l’électricité ne peut être stockée naturellement. En cas de surplus, le réseau peut alors être saturé, alors qu’en cas de déficit, d’autres moyens de production doivent intervenir pour éviter les coupures.

 

L’électrification de nos usages

Aux problématiques qu'amène la variabilité des énergies renouvelables, s'ajoute le problème de l'électrification de nos usages. La demande en électricité ne cesse d’augmenter, que ce soit avec le développement des véhicules électriques, l’électrification du chauffage, ou encore le recours de plus en plus important aux pompes à chaleur.

Ces nouveaux usages concentrent parfois leur appel de puissance sur des tranches horaires précises, comme les soirées d'hiver, ou les périodes de recharge simultanée de véhicules électriques. Ainsi, cela peut renforcer les tensions sur le réseau à certains moments de la journée, et rendre du même fait plus difficiles la gestion de ces pics de consommation.

Pour réussir à conserver et garantir une flexibilité énergétique, il est donc plus que nécessaire de trouver des solutions pour absorber rapidement et efficacement ces fluctuations de consommation.

Les systèmes de stockage par batteries, au-delà de leur fonction technique, dépendent également d’enjeux économiques et de règles qui encadrent le marché de l’électricité. Pour saisir les opportunités et les limites de cette technologie, il est donc essentiel de comprendre ces mécanismes.

La multiplication des “flux de revenus” (revenue stacking)

Pour qu'un projet de stockage par batteries soit viable économiquement parlant, il ne peut pas être la seule source de revenus. Les opérateurs combinent alors plusieurs marchés et plusieurs contrats, une approche souvent appelée "revenue stacking" ou empilement de revenus.

Concrètement, un système BESS peut générer des revenus de plusieurs façons. Tout d’abord, il peut intervenir sur le marché de l'énergie en achetant de l'électricité lorsque les prix sont bas afin de la revendre lorsqu'ils sont plus élevés. Mais il peut aussi rendre des services au réseau, en contribuant au réglage de la fréquence ou à l’équilibre global du système électrique par exemple. Enfin, certains projets sont également rémunérés pour leur disponibilité, notamment en passant par le mécanisme de capacité, qui valorise les installations capables de fournir de l’électricité lors des périodes de forte tension sur le réseau.

Cette diversification implique toutefois de trouver un équilibre entre les performances techniques et les contraintes opérationnelles. Les batteries doivent donc être réactives et disponibles, tout en limitant leur usure liée aux cycles répétés de charge et de décharge.

Le rôle de RTE et l’intégration européenne

En France, c’est le gestionnaire de réseau RTE qui est chargé de l'équilibre du système électrique. Pour participer aux mécanismes de réserve, les batteries doivent donc répondre à des exigences techniques précises, et être préqualifiées par le gestionnaire RTE.

À l'échelle européenne, des plateformes comme PICASSO ou MARI permettent l'échange d'énergie de réserve entre les gestionnaires de réseau. Ce système vise ainsi à pouvoir mobiliser, à tout moment, les solutions de flexibilité les plus efficaces et les plus compétitives. C’est cette coordination qui contribue à renforcer la sécurité du réseau, tout en ouvrant davantage le marché de la flexibilité énergétique.

Incertitudes et diligence dans les décisions d'investissement

Malgré les opportunités que peuvent apporter les batteries de stockage, tout projet doit avant tout prendre en compte certaines incertitudes inhérentes à ce marché en pleine évolution :

• La volatilité des prix de l'électricité, qui peut varier significativement d'une année à l'autre, et donc impacter directement la rentabilité de l'arbitrage énergétique ;
• L'arrivée de nouveaux actifs de stockage, qui renforce la concurrence et peut ainsi réduire les marges sur les services les plus rémunérateurs ;
• L'évolution des règles de participation aux marchés et des mécanismes de rémunération, qui peut modifier l'équilibre économique des projets.

Face à de telles incertitudes, les décisions d’investissement doivent donc s’appuyer sur des études approfondies et régulièrement actualisées afin d’évaluer la viabilité du projet dans différents contextes de marché

Après avoir présenté les systèmes de stockage d’énergie par batteries et le contexte de marché dans lequel ils s’inscrivent, il convient désormais d’analyser leur rôle qu’ont ces systèmes dans l’amélioration de la flexibilité du réseau électrique.

Les différents services rendus au réseau

Les batteries apportent trois types de services, qui sont chacun complémentaires pour assurer la flexibilité et la stabilité du réseau électrique.

L'équilibrage énergétique (energy shifting)

Le principe de l'équilibrage énergétique, ou energy shifting, consiste à décaler dans le temps la consommation ou la production d'électricité. Concrètement, les batteries stockent l'énergie lorsque la production dépasse la demande, notamment pendant les périodes de forte production d’énergie renouvelable, et la restituent ensuite lorsque la consommation est élevée.

Ce mécanisme permet de synchroniser à la fois l'offre et la demande sur le réseau, et agit comme un régulateur capable d'absorber les surplus et de combler les déficits.

Les services système pour RTE : FCR, aFRR et mFRR

Au-delà de l'équilibrage énergétique, les batteries fournissent des services système particulièrement utiles au gestionnaire de réseau RTE pour garantir la stabilité électrique. Ces services sont organisés en plusieurs niveaux d'intervention, selon leur rapidité d'activation :

• La réserve primaire (FCR) intervient automatiquement en quelques secondes pour contenir les écarts de fréquence par rapport aux 50 Hz réglementaires, et les batteries injectent ou absorbent de l'électricité dès qu'un déséquilibre apparaît ;
• La réserve secondaire (aFRR) prend le relais après environ 30 secondes pour rétablir progressivement la fréquence à sa valeur initiale de 50 Hz, et ce service est activé automatiquement ;
• La réserve tertiaire (mFRR) intervient manuellement après environ 12,5 minutes pour stabiliser durablement la fréquence sur une longue période.

La gestion locale des congestions

Dans certaines zones du réseau, la production locale d'électricité peut dépasser la capacité des lignes à évacuer cette énergie. Dans ce cas, les batteries permettent de gérer ces congestions en stockant temporairement l'excédent sur place, ce qui évite ainsi de saturer les infrastructures.

Quelques exemples concrets

Le pic du soir et le creux de midi

Chaque jour, la consommation d'électricité suit un cycle prévisible, et en milieu de journée, la production solaire atteint son maximum, alors que la demande est pourtant modérée. À l'inverse, en fin de journée, la consommation augmente fortement au moment où la production photovoltaïque s'effondre.

Les batteries stockent alors l'électricité excédentaire produite à midi, pour la restituer ensuite lors du pic de consommation en soirée.

La variabilité éolienne et les incidents

La production éolienne peut varier rapidement selon les conditions météorologiques. De simples phénomènes comme une baisse soudaine du vent peuvent alors créer des déséquilibres importants, et du même fait, des incidents techniques qui nécessitent une réaction immédiate.

Suite à de tels incidents, les batteries peuvent intervenir en quelques secondes pour injecter ou absorber de l'électricité. C’est ce mécanisme qui permet ainsi de stabiliser le réseau en attendant que d'autres moyens de production prennent le relais.

Les délais d'ouvrages réseau

Le renforcement des infrastructures électriques nécessite plusieurs années de travaux. Durant cette intervalle, certaines zones peuvent alors être saturées, ce qui limite aussi l'intégration de nouvelles productions renouvelables.

C’est dans ce contexte que les batteries contribuent à la stabilité du réseau puisque, dans ces cas-là, elles apportent une solution temporaire en fournissant une flexibilité locale, le temps que les infrastructures nécessaires soient mises en service. Cela permet donc d'accélérer la transition énergétique, sans pour autant attendre de lourds investissements sur le réseau.

En tant que propriétaire de terrains inexploités, ces systèmes de stockage par batteries peuvent représenter de véritables opportunités pour valoriser son foncier. Ce modèle permet en plus aux professionnels qui y ont recours de générer des revenus stables, tout en jouant un rôle dans la transition énergétique, sans pour autant avoir à mobiliser de capitaux, ni à gérer l'exploitation de l'installation.

Le principe et le fonctionnement du modèle

Il s’agit de louer un terrain à un opérateur spécialisé, qui prend ensuite en charge l'intégralité du projet. Le propriétaire met alors son foncier à disposition, tandis que l'opérateur finance, construit, raccorde et exploite le système de batteries.

Le contrat de location

Avant toute chose, le propriétaire signe un contrat de location d'une durée comprise généralement entre 15 et 30 ans. Ce contrat prévoit le versement d'un loyer fixe et régulier, potentiellement indexé, et définit également les engagements d'accès au site.

Les travaux et l'exploitation

Une fois que le contrat de location est signé, l'opérateur prend en charge l'ensemble des travaux à réaliser, qui regroupent quasi systématiquement :

• Les aménagements du terrain ;
• Le raccordement au réseau ;
• La mise en service ;
• Les contrôles périodiques ;
• La maintenance.

L'intégration au voisinage et au paysage

Les projets sont ensuite conçus pour s'intégrer dans leur environnement, notamment avec :

• L'intégration paysagère, c’est-à-dire la végétalisation du site dans le but d’atténuer l'impact visuel ;
• La sécurisation du site avec une clôture adaptée au paysage local ;
• La maîtrise acoustique, ce qui inclut certains dispositifs de traitement acoustique, ainsi qu’une distance adaptée pour limiter les nuisances sonores des auxiliaires (comme la ventilation) ; L'information locale, notamment la concertation avec les riverains et les collectivités en amont du projet.

 

Les critères d'éligibilité et les bonnes pratiques

 

Les terrains ne sont pas tous adaptés à la location pour des batteries de stockage. Pour cette raison, plusieurs critères doivent être réunis pour qu'un projet soit viable :

• Le raccordement et la localisation, puisque plus le terrain est proche d'une infrastructure électrique existante, plus le projet est facilement réalisable ;
• L'urbanisme et le voisinage, le terrain devant respecter les conditions d'urbanisme locales, ce qui fait que les friches industrielles, les zones urbanisées ou les terrains agri-compatibles sont privilégiés ;
• La sécurité et l'accès, comme les services départementaux d'incendie et de secours (SDIS) émettent des recommandations en matière de sécurité incendie, ce qui inclut généralement une aire imperméabilisée, et une réserve d'eau dédiée ;
• La surface disponible, car un projet peut être réalisable dès 500 m² disponibles, en fonction de la capacité de raccordement et des besoins locaux, et la surface doit permettre d'installer les conteneurs, les postes de transformation et les équipements auxiliaires.

 

C’est seulement si ces critères sont respectés qu’un propriétaire foncier peut envisager sereinement un projet de stockage par batteries sur son terrain, avec l’accompagnement complet de l'opérateur.

En tant que professionnel, vouloir mettre en place un projet de batteries de stockage peut sembler particulièrement intéressant, d’autant plus que cela permet de valoriser un foncier disponible tout en contribuant à la flexibilité du réseau. Cependant, il faut tout de même garder à l’esprit qu’un tel projet ne peut être viable que s’il fait suite à une analyse rigoureuse de la faisabilité technique, des capacités de raccordement et des contraintes propres au site.

 

Il est ainsi essentiel de s’appuyer sur l’expertise d’un opérateur spécialisé, dont l’expertise conjugue une parfaite connaissance des systèmes de stockage d'énergie et une bonne maîtrise des enjeux du réseau électrique français. C'est justement le cas d'Arkolia, qui fait partie des premiers énergéticiens français, et qui s'engage dans le développement de solutions de stockage par batteries en accompagnant les propriétaires fonciers à chaque étape de leur projet.

<H3>Les batteries sont-elles bruyantes ?

 

Le cœur électrochimique des batteries est complètement silencieux. Le bruit provient principalement des équipements auxiliaires, comme la ventilation et les transformateurs. Pour limiter les nuisances sonores, le traitement acoustique et la distance par rapport aux riverains sont étudiés au cas par cas lors de la conception du projet.

 

Y a-t-il un risque d'incendie ?

Comme tout équipement électrique, un risque d'incendie existe. Toutefois, il est traité à plusieurs niveaux. Tout d’abord par conception (avec le compartimentage et les systèmes de détection), puis par aménagement (avec des aires adaptées), et enfin, par les moyens mis à disposition des services départementaux d'incendie et de secours (notamment avec une réserve d'eau si nécessaire), et par des procédures d'exploitation strictes. Aussi, la réglementation et les bonnes pratiques en la matière évoluent régulièrement, afin de renforcer la sécurité des installations.

 

Quel est l’impact environnemental ?

En phase d'usage, les batteries favorisent l'intégration des énergies renouvelables dans le réseau et contribuent à réduire les pointes de consommation, ce qui limite le recours à des moyens de production plus polluants. En général, l'analyse de cycle de vie globale dépend de la composition chimique des batteries, de leur durée de vie, ainsi que des filières de seconde vie et de recyclage, actuellement en développement pour améliorer leur bilan environnemental.

 

Quels revenus pour un projet de batterie ?

Un système de batteries agrège généralement plusieurs sources de revenus pour assurer sa viabilité économique. Il y a l’arbitrage sur le marché de l'énergie, les services de réglage pour RTE (FCR, aFRR, mFRR), et éventuellement la participation au mécanisme de capacité et services locaux. Les prix et les règles de ces marchés évoluent aussi régulièrement, ce qui nécessite des modèles économiques viables qui tiennent compte de l'évolution des enjeux.