Rendement et consommation auxiliaire des systèmes BESS en conteneur

Rapport d'analyse de la chaîne énergétique et des consommations auxiliaires pour un cycle charge-décharge du système de stockage en conteneur

Ce rapport analyse la chaîne énergétique d'un cycle complet SOC 0 % → 95 % → 0 % pour le système de stockage en conteneur D-Ocean-5016D (12 clusters × 418 kWh, cellules Hihtec 314 Ah 1P416S). Le système utilise le groupe froid à refroidissement par eau et à air Envicool EMW600HCNC3E (certifié CE / anticorrosion C5-M), et les équipements auxiliaires sont alimentés directement depuis le circuit principal + onduleur ASI + coffret de distribution (CC 24 V / 48 V).

• RTE cœur (conditions idéales à 25 °C) = 88,48 % (incluant transformateur élévateur 0,99² × PCS 0,98² × rendement CC batterie 0,94)
• Système électrique auxiliaire (conception électrique réelle du projet, 14 postes, voir section 1.1) : fonctionnement continu fixe 7,25 kW, consommation par cycle 13,0 – 14,7 kWh
• Plage de RTE net du système en régime 0,5P pleine puissance : 85,88 % – 87,97 % (de la puissance maximale à l'arrêt du refroidissement liquide)
• Autocirculation du refroidissement liquide 0,74 kW, consommation par cycle ≈ 1,5 kWh ; refroidissement nominal 27,8 kW, consommation par cycle ≈ 57,5 kWh
• RTE net de 88,5 % inatteignable dans ce modèle (maximum 87,97 %) ; objectif de RTE net 87 % : rapport cyclique de refroidissement ≤ 48,3 %
• Puissance auxiliaire continue du conteneur 7,25 kW, crête (avec puissance maximale du refroidissement liquide) 37,25 kW

1. Paramètres système

1.1 Architecture du système électrique auxiliaire

Liste des charges de la conception électrique réelle du projet D-Ocean-5016D (issue du plan de distribution électrique de l'ingénierie) :

Description de l'architecture :

• Le SMPS du boîtier haute tension délivre du 24 V CC pour alimenter les contacteurs/commande/chauffage du cluster complet ; l'AC-CC 350 W est l'alimentation principale, le CC-CC 200 W n'est activé qu'en cas de perte AC.
• Le SMPS du coffret de distribution alimente les bus 24 V / 48 V au niveau conteneur (non sauvegardés par ASI), pour les charges du circuit principal.
• 6 déshumidificateurs AC GCH-8120S (130 W de puissance réelle) sont alimentés depuis le circuit principal, fonctionnement continu.
• Les alimentations BMS des 12 clusters (60 W/cluster) sont sauvegardées par ASI, garantissant le fonctionnement du BMS et la remontée des alarmes en cas de coupure.
• La centrale incendie 200 W est sauvegardée par ASI (surveillance continue) ; le ventilateur d'extraction antidéflagrant 240 W n'est démarré par ASI qu'en alarme (transitoire d'environ 3 secondes).
• Les prises de maintenance et de secours sont réservées à 1 kW en crête, non comptées dans les auxiliaires continus du RTE.
• Le système électrique auxiliaire ci-dessus n'inclut pas le circuit principal d'extinction à eau d'urgence (pompes incendie, sprinklers, etc.). Si un système d'eau d'urgence est configuré dans le projet réel, il faut le compléter selon EN 12845 (typiquement 5 - 10 kW avec pompes incendie), et vérifier la marge du disjoncteur principal du conteneur.

2. Câblage et bornes

Cette section ne traite pas du câblage externe, mais précise les points de mesure d'énergie, recommandés comme suit :

• Mesure côté réseau : compteur bidirectionnel en sortie du disjoncteur de raccordement, comme source de comptage de $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Mesure côté AC du PCS : compteur bidirectionnel, pour vérifier le rendement propre du PCS.
• Côté CC batterie : échantillonnage sur la bus CC du BMS, pour calculer le rendement aller-retour CC batterie.
• Branches auxiliaires : le groupe froid, l'alimentation BMS/EMS et les déshumidificateurs doivent être mesurés séparément, pour permettre la traçabilité des consommations auxiliaires.

3. Spécifications du groupe froid (EMW600HCNC3E)

3.1 Logique de contrôle des modes de fonctionnement (BMS actif, référence plateforme Envicool)

Remarque : la fiche technique de l'EMW600HCNC3E ne publie pas de table de logique de contrôle détaillée ; les seuils de température ci-dessus sont des valeurs de référence générales de la plateforme Envicool, le projet réel doit se référer aux spécifications d'intégration BMS du D-Ocean-5016D.

3.2 Logique de protection en cas de perte d'alimentation BMS (BMS inactif)

3.3 Priorité des modes

Refroidissement > Chauffage > Autocirculation ; les conditions de protection forcée (3.2) peuvent couvrir la priorité ci-dessus et passer directement en autocirculation.

4. Communication

Ce rapport ne traite pas des protocoles de communication externes, mais recommande d'unifier les interfaces et points suivants lors de l'acquisition locale, pour faciliter le calcul du RTE par l'EMS :

• BMS → EMS : tension/courant CC des 12 clusters, SOC, SOH, températures单体max/min.
• PCS → EMS : tension/courant/puissance côté AC, état charge/décharge, mot de défaut, courbe de rendement.
• Groupe froid → EMS : température de sortie, états marche/arrêt compresseur/pompe/ventilateur, mode courant (froid/chaud/autocirculation), mot de défaut.
• Compteurs branches auxiliaires → EMS : compteur total de la branche auxiliaire du circuit principal (pour calculer la consommation auxiliaire totale), compteurs détaillés en sortie ASI, côté CC BMS/EMS, branche déshumidificateur.

5. Étapes opérationnelles et bases de calcul

5.1 Énergie de la chaîne de référence

• Rendement aller-retour CC batterie 94 %, décomposé symétriquement en 96,96 % × 96,96 %
• Rendements charge/décharge PCS de 98,0 % chacun
• Rendement du transformateur élévateur (élévation + abaissement) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (bidirectionnel)
• DoD = 95 %

$$E_{ ext{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765{,}2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765{,}2}{0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}9696} = 5065{,}7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765{,}2 \times 0{,}9696 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 4482{,}0 \text{ kWh}$$

Rendement théorique du système hors refroidissement liquide et auxiliaires fixes (cœur PCS + batterie + transformateur élévateur, conditions idéales à 25 °C) :

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}94 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 88{,}48\%$$

5.2 Chaîne énergétique d'un cycle

• Chemin de charge : réseau → transformateur élévateur (×99,0 %) → PCS (×98,0 %) → batterie CC (×96,96 %) → stockage 4765,2 kWh.
• Chemin de décharge : batterie CC (×96,96 %) → PCS (×98,0 %) → transformateur élévateur (×99,0 %) → sortie brute AC 4482,0 kWh.
• Le refroidissement liquide et les consommations auxiliaires sont traités comme branche flottante : additionnés du côté charge à l'entrée auxiliaire, déduits de la sortie brute PCS côté décharge.

5.3 Formules générales

Soit le rapport cyclique de refroidissement $\delta$ (rapport cyclique d'autocirculation $1-\delta$), calculé avec la puissance de fonctionnement continu 0,5P $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$ :

• Durée de charge $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065{,}7 / 2500 \approx 2{,}026 \text{ h}$
• Durée de décharge $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482{,}0 / 2500 \approx 1{,}793 \text{ h}$

Puissance auxiliaire fixe $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$ (liste de la conception électrique réelle du projet, voir section 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0{,}74 + 27{,}06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Forme closed-loop après substitution (en éliminant la variable intermédiaire $P_{\text{liq\_avg}}$) :

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 5081{,}89 + 54{,}82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta}$$

5.4 Scénarios de consommation auxiliaire

Consommation auxiliaire fixe selon la conception électrique réelle de la section 1.1 : 12 clusters boîtier HT 4,2 kW + coffret de distribution 0,6 kW + 6 déshumidificateurs 0,78 kW + climatiseur industriel 0,24 kW + éclairage de secours/ventilation/écran 0,15 kW + 12 alimentations BMS cluster 0,72 kW + centrale incendie 0,20 kW + vidéosurveillance 0,24 kW + auxiliaire 24 V 0,12 kW, total $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$. Le groupe froid est modélisé selon 8 états typiques :

Remarque : les $P_{\text{liq}}$ des scénarios de froidissement 25 %/50 %/75 % dans le tableau sont interpolés linéairement à partir de la puissance de froidissement nominale 27,8 kW (sans la base d'autocirculation 0,74 kW), et diffèrent légèrement de la formule $P_{\text{liq\_avg}} = 0{,}74 + 27{,}06 \cdot \delta$ de la section 5.3 ; pour une unification stricte, il est recommandé d'utiliser la formule de la section 5.3 + rapport cyclique explicite comme entrée.

Cas limite de perte AC : lorsque les 12 clusters boîtier HT basculent tous sur le secours CC-CC 200 W, l'auxiliaire fixe devient $12 \times 200 + 0{,}6 + 0{,}78 + 0{,}24 + 0{,}15 + 0{,}72 + 0{,}20 + 0{,}24 + 0{,}12 = 5{,}25 \text{ kW}$, avec un RTE légèrement supérieur au présent tableau (≈ 88,7 % groupe froid arrêté) ; mais il s'agit d'un régime d'urgence, le protocole RTE normal se réfère au mode AC.

Transitoire d'alarme incendie : lorsque le détecteur H₂ ou les détecteurs de fumée/chaleur se déclenchent, la centrale incendie passe en alarme, le ventilateur d'extraction antidéflagrant (240 W) démarre, la puissance auxiliaire transitoire saute de ~240 W (environ 3 secondes), l'impact sur les statistiques RTE est négligeable.

5.5 Conclusions et recommandations

• RTE cœur (conditions idéales à 25 °C) = 88,48 % (transformateur élévateur 0,99² × PCS 0,98² × RTE CC batterie 0,94). Cette valeur est une limite théorique, correspondant à des conditions extrêmement idéales : température ambiante 25 °C, batterie à sa température optimale de fonctionnement, aucune consommation auxiliaire, pas de veille, SoH = 100 %.
• Après inclusion des 7,25 kW d'auxiliaires fixes (liste de conception électrique réelle du projet), le RTE net est de 87,97 % groupe froid arrêté ; 87,89 % en autocirculation ; 86,99 % à 50 % de rapport cyclique de froidissement ; 86,04 % en froidissement nominal.
• RTE net de 88,5 % inatteignable dans ce modèle : même avec groupe froid complètement arrêté + conditions idéales 25 °C + 7,25 kW d'auxiliaires fixes, le RTE net ne peut atteindre que 87,97 % ; la limite théorique du cœur de 88,48 % nécessite l'élimination simultanée de toutes les consommations auxiliaires (irréaliste).
• Objectif RTE net 87 % : depuis $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}87$, on déduit :

  $$\frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta} \geq 0{,}87$$

  $$4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \geq 4421{,}24 + 47{,}69\,\delta \;\Rightarrow\; 46{,}43 \geq 96{,}20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0{,}483$$

Soit rapport cyclique de froidissement ≤ 48,3 % (correspondant environ à la limite basse du scénario 50 % de froidissement), la puissance moyenne du groupe froid par cycle doit être ≤ 13,81 kW.

• Plage de fonctionnement typique (idéal 25 °C) : RTE net 86,5 % – 88,0 % (couvrant 25 % - 75 % de froidissement), sortie côté AC par cycle 4432 – 4457 kWh. En conditions réelles sur site, en raison de la température ambiante, de l'échauffement batterie, des fluctuations auxiliaires, etc., le RTE est généralement inférieur à cette plage.
• La puissance auxiliaire totale du système électrique 7,25 kW constitue l'une des principales charges du RTE : consommation fixe par cycle 13,0 – 14,7 kWh, déjà supérieure d'un ordre de grandeur à l'autocirculation du froid (1,5 kWh). L'optimisation du rendement du SMPS des 12 clusters boîtier HT (350 W → 280 W) peut récupérer environ 0,4 point de pourcentage de RTE.
• Le froid liquide reste le poste dominant du RTE : consommation par cycle 1,5 kWh (autocirculation) – 57,5 kWh (froidissement nominal) ; auxiliaires fixes de l'ordre de 13 kWh, la contribution aux pertes de RTE du froid liquide + auxiliaires fixes est d'environ 75 % / 25 %.
• Les 6 déshumidificateurs consomment de manière significative : 0,78 kW, soit 10,8 % du total auxiliaire, consommation par cycle 1,58 kWh. Il est recommandé d'évaluer la nécessité de la déshumidification (selon les données des capteurs d'humidité ambiante), un fonctionnement à la demande peut récupérer environ 0,2 point de pourcentage de RTE.
• Le protocole technique devrait préciser : points de mesure du RTE (recommandé : compteur bidirectionnel côté réseau), inclusion ou non du froidissement liquide/incendie/veille/prises, plage de température de test (référence 25 °C), fenêtre SOC (0-95 %), méthode de mesure des auxiliaryires (recommandé : mesure par branche SMPS + centrale incendie + 12 BMS clusters séparément, pour traçabilité selon l'architecture 1.1).

5.6 Vérification de la charge du disjoncteur principal du conteneur

Puissances totales continues/crête selon le tableau de la section 1.1 :

6. Points à noter

1. La chaîne énergétique de ce rapport est basée sur l'hypothèse d'un rendement symétrique charge/décharge, régime 0,5P. Si l'efficacité réelle du PCS varie significativement selon le SOC/la puissance, il faut réajuster par segments.
2. Le RTE cœur de 88,48 % est la limite théorique dans les conditions les plus idéales à 25 °C, correspondant au rendement en série transformateur élévateur 0,99², batterie CC aller-retour 0,94, PCS 0,98². En conditions réelles sur site, en raison de l'échauffement batterie (>25 °C), des pertes de ligne, de l'atténuation du SOH (<100 %), etc., le RTE diminuera progressivement.
3. Le rapport cyclique de froidissement/chauffage du groupe froid varie significativement avec la température ambiante, le RTE doit être calculé dans la plage de température spécifiée par le protocole.
4. Le rendement aller-retour CC diminuera avec le vieillissement de la batterie, le calcul du RTE doit également intégrer un coefficient de correction SOH.
5. Si les déshumidificateurs fonctionnent à la demande au lieu de 120 W continus, il faut remplacer le poste fixe par le rapport cyclique réel dans la formule.
6. Toutes les valeurs de puissance/énergie sont des statistiques par cycle unique, et ne peuvent pas être extrapolées directement aux données journalières/mensuelles.
7. Le conteneur, en conditions mesurées 0,5P à 25 °C, présente une puissance de froidissement d'environ 23 kW + 7,25 kW fixe ≈ 30,5 kW de puissance totale.
8. Le système incendie inclut déjà la consommation de surveillance continue de la centrale incendie 200 W ; le ventilateur d'extraction antidéflagrant 240 W ne démarre qu'en alarme, non compté dans les statistiques RTE ; le circuit principal d'extinction à eau d'urgence (pompes incendie, sprinklers, etc.) n'est pas inclus, doit être ajouté si configuré dans le projet réel (typiquement 5 - 10 kW), et la capacité de charge totale du disjoncteur principal D100A ou une branche indépendante supplémentaire doit être vérifiée.
9. Les 6 déshumidificateurs AC (780 W) fonctionnent en continu, soit 10,8 % du total auxiliaire. Il est recommandé de décider marche/arrêt selon les données des capteurs d'humidité ambiante, un fonctionnement à la demande peut récupérer environ 0,2 point de pourcentage de RTE.
10. Les prises de maintenance et de secours (1 kW chacune) sont réservées en crête, non incluses dans le modèle d'auxiliaires continus du RTE, mais doivent être mesurées séparément en cas d'utilisation sur site, pour éviter d'affecter le rapprochement du protocole RTE.

Annexe A Définition des symboles

A.1 Paramètres système

A.2 Rendement et énergie de référence

A.3 Temps et puissance auxiliaire

A.4 Groupe froid

A.5 Énergie et RTE système

A.6 Conventions de nommage des symboles

• Les indices in / out indiquent l'entrée/sortie d'énergie vers/depuis le réseau.
• Les indices ch / dis indiquent le processus de charge/décharge.
• L'indice aux désigne le système auxiliaire, l'indice liq désigne le groupe froid.
• Les indices idle / cool / heat / max désignent les régimes de fonctionnement du groupe froid.
• Les indices max / min (indices nus) désignent la température maximale/minimale d'une cellule (et non un régime de puissance).
• La lettre grecque $\eta$ désigne le rendement, $\delta$ désigne le rapport cyclique (attention à ne pas confondre avec DoD), $\Delta$ désigne une différence.