Le monde de l'énergie solaire : questions et réponses sur les facteurs de puissance et les considérations d'exploitation et de gestion des batteries à grande échelle

La rubrique « Questions-réponses » ci-dessous réunit Kelly Pickerel, rédactrice en chef de Solar Power World, et des experts du secteur de Power Factors,autour du thème de l'exploitation et de la maintenance des projets de stockage d'énergie à grande échelle.Une version abrégée de cet article a initialement été publiée dansSolar Power Worldle15 avril 2024.

Les opérations et la maintenance (O&M) d'un projet solaire à l'échelle de l'entreprise sont en grande partie évidentes : nettoyer les panneaux solaires, surveiller l'état des onduleurs, entretenir le terrain et vérifier l'usure des mécanismes de suivi. La maintenance des grandes installations de systèmes de stockage d'énergie par batteries au lithium (BESS) requiert un ensemble de compétences différent, bien qu'elles soient largement indépendantes et ne nécessitent pas d'entretien lié aux conditions météorologiques. Mais cela ne signifie pas qu'il n'y a rien à surveiller, car les projets de BESS génèrent en fait une énorme quantité de données. Les gestionnaires d'actifs peuvent aider les propriétaires de portefeuilles à passer au crible ces montagnes de données pour s'assurer que les batteries fonctionnent au maximum de leurs capacités.

Société de logiciels Power Factors optimise les portefeuilles de projets de ses clients grâce à des produits basés sur les données. Le produit Unity Performance Management de l'entreprise aide les propriétaires et les exploitants de projets BESS dans leurs tâches d'exploitation et de maintenance, améliorant ainsi la disponibilité et le rendement.Solar Power Worlds'est entretenu avec des experts du secteur chez Power Factors du travail de ce gestionnaire d'actifs dans le domaine des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS).

SPW : Quel type de maintenance est régulièrement effectué ou contrôlé sur les BESS au lithium à grande échelle ?

Les activités de maintenance se répartissent en deux grandes catégories : la maintenance corrective, qui consiste à réparer quelque chose qui est déjà cassé, et la maintenance préventive, qui consiste à prendre soin de quelque chose de manière proactive afin de réduire la probabilité qu'il se casse à un moment donné dans le futur.

La maintenance corrective comprend des activités telles que le remplacement des modules BESS défectueux (les composants qui englobent un ensemble de cellules), des racks BESS (les composants qui englobent un ensemble de modules), des onduleurs ou des composants d'onduleurs, des composants de l'équilibre du système (BOS) tels que les systèmes CVC et les disjoncteurs des panneaux de distribution, ou des composants liés à la sécurité et à la protection contre les incendies.

La maintenance préventive comprend des activités telles que le remplacement des filtres, le remplissage des systèmes de refroidissement liquide, l'étalonnage des capteurs, le remplacement des modules qui indiquent une dégradation excessive, la vérification des systèmes d'extinction d'incendie, le recalibrage des estimations SOC, et bien plus encore.

Mais la capacité à réaliser ces activités de manière efficace repose sur une solide stratégie d'exploitation et de maintenance (O&M), ainsi que sur les données et les outils sous-jacents permettant de mettre en œuvre cette stratégie.

Quelles sont vos recommandations concernant les stratégies d'exploitation et de maintenance de ces systèmes ?

L'acquisition des données est essentielle, mais elle n'est pas toujours aisée. Les systèmes BESS génèrent un volume considérable de données et, dans certains cas, peuvent représenter un changement radical par rapport aux classes d'actifs plus courantes, telles que le solaire et l'éolien. Or, les intégrateurs et les équipementiers sont souvent réticents à les partager, ou peuvent limiter les informations communiquées. Il est essentiel que les propriétaires, les exploitants et les prestataires de services d'exploitation et de maintenance comprennent l'importance de ces données et élaborent dès le départ une stratégie pour en garantir l'accès. Cela implique de connaître la capacité de votre réseau à les transmettre en continu, de disposer des passerelles de communication adéquates pour les collecter, ainsi que des systèmes en amont adaptés pour les traiter, les stocker et les récupérer. Power Factors à relever tous ces défis.

Outre une stratégie de gestion des données BESS, il est tout aussi important de comprendre la répartition des responsabilités, des incitations et des obligations contractuelles entre une longue liste de parties prenantes : Propriétaires, opérateurs, fournisseurs O&M (y compris sur le terrain), intégrateurs BESS, OEM, entités de programmation qualifiées (QSE), opérateurs de systèmes indépendants (ISO), optimiseurs d'offres, opérateurs de transmission (TO), fournisseurs d'analyses, et autres. Il peut être très difficile de distinguer les interactions complexes et les responsabilités qui se chevauchent entre ces parties prenantes, et ces relations et responsabilités peuvent changer selon les différents modèles et contextes d'exploitation.  

Une fois que vous avez maîtrisé vos données et établi une répartition claire des responsabilités, la meilleure stratégie consiste à développer une capacité à prévoir les défaillances du système afin d'y remédier de manière proactive avant qu'elles ne se produisent. Cela permet d'éviter les coûteux roulements de camions et les incidents liés aux temps d'arrêt, qui réduisent les revenus et peuvent donner lieu à des dommages-intérêts forfaitaires en fonction des accords contractuels sous-jacents.

La clé pour anticiper les défaillances du système réside dans les alertes prédictives. Dans cette optique, Power Factors une bibliothèque en constante expansion d'alertes et d'événements liés à la détection précoce des défaillances (EFD). Par exemple, nous détectons les défaillances imminentes du système de refroidissement, ce qui permet aux opérateurs d'intervenir bien avant que la situation ne se détériore de manière significative ou que des dommages ne surviennent.

Récemment, l'un de nos clients a envoyé un technicien sur le terrain après avoir reçu un événement EFD de panne de refroidissement. Lorsqu'il est arrivé sur place, il a découvert que le système de refroidissement liquide n'avait pas été remis en service après une récente opération de maintenance. Heureusement, il a pu remettre le système en service avant qu'il ne soit endommagé et a évité le coûteux casse-tête d'un litige sur la responsabilité de la mésaventure.

Quelles sont les données importantes pour l'exécution d'une stratégie d'exploitation et de maintenance pour les BESS à grande échelle ?

Pour commencer, il peut être utile de donner quelques informations générales sur Power Factors nos clients. Nos clients sont généralement des propriétaires, des exploitants et des prestataires de services gérant des portefeuilles d'actifs dans le domaine des énergies renouvelables. Ces portefeuilles connaissent souvent une croissance rapide et comprennent généralement une combinaison de projets solaires à grande échelle, de systèmes de stockage, d'éolien, d'hydroélectricité et, bientôt, d'hydrogène.

Power Factors nos clients Power Factors développer les opérations liées à ces actifs grâce à une gamme de produits spécialisés, développés sur notre plateforme Unity . Ces produits couvrent les domaines suivants : gestion des actifs, ingénierie de la performance et de la fiabilité, opérations à distance et en temps réel, gestion et contrôle financiers et de conformité, gestion et contrôle des services sur le terrain, ainsi que les opérations de marché. Nous fournissons une infrastructure de données commune pour ces fonctions interdépendantes. Cette infrastructure comprend un modèle d'actifs commun, des métadonnées, une nomenclature des signaux et des API assurant l'interopérabilité entre les applications.

Il existe un grand nombre d'équipementiers et d'intégrateurs BESS, chacun ayant sa propre façon de présenter et de modéliser les données. Avec notre produit Unity Asset Performance Management (APM), nous adoptons une approche indépendante des équipementiers et nous normalisons et contextualisons ces données hétérogènes afin que nos utilisateurs puissent faire des comparaisons d'une pomme à l'autre dans leur portefeuille d'actifs. La simplification qui en résulte les aide à optimiser leurs stratégies d'exploitation et de maintenance, ce qui améliore le temps de fonctionnement et le rendement, réduit les dépenses d'exploitation et, en fin de compte, augmente les revenus et les bénéfices.

Les clients Power Factorsexploitent aujourd’hui environ 5 GWh d’installations de stockage d’énergie par batterie (BESS) à travers le monde via nos plateformes, et 7 GWh supplémentaires sont en cours de construction ou en phase finale de développement.

Comment les facteurs de production acquièrent-ils les données nécessaires pour soutenir ces stratégies ?

Notre processus commence par l'acquisition des données. Nous obtenons des données du système de gestion des batteries (BMS) fourni par les intégrateurs de BESS, ainsi que des contrôleurs de centrales électriques (PPC) et des systèmes de contrôle de surveillance et d'acquisition de données (SCADA). Nous acquérons des données à partir de systèmes utilisant des passerelles de communication, qui sont généralement déployées sur site. Cependant, nous pouvons également acquérir des données à partir de sites à distance via un réseau sécurisé. Nous pouvons également acquérir et échanger des données avec d'autres agrégateurs centraux de données via des API.

Dans de nombreux cas, Power Factors le fournisseur des systèmes PPC et SCADA, ce qui simplifie considérablement le processus d'intégration des données. Nous proposons une gamme de solutions comprenant nos produits Unity , Unity et Unity destinés aux installations solaires, éoliennes et de stockage d'énergie. Nous offrons également des services clés en main complets pour les accompagner, notamment l'ingénierie, la fabrication de panneaux, ainsi que l'assistance à la construction et à la mise en service dans le cadre de contrats EPC.

À partir du BMS, nous obtenons les mesures des capteurs de température, de tension et de courant au niveau de la branche, ainsi que tous les codes d'erreur et de défaut numériques. Nous pouvons également lire ces données directement à partir d'équipements tels que les onduleurs, les compteurs et les relais. Nous utilisons ensuite toutes ces données pour déterminer si les systèmes fonctionnent selon leurs paramètres nominaux. Si ce n'est pas le cas, notre système de gestion des événements génère des informations importantes qui permettent de répondre à des questions telles que :

• Quel est l'appareil concerné ?

• Quel est le niveau de gravité (quelle est l'urgence d'agir) ?

• Quand cela a-t-il commencé ?

• Quel est l'impact permanent sur les recettes ?

• Suis-je proche d'un seuil de conformité ou de garantie ?

• Quelles sont les instructions, les procédures opérationnelles, les outils et les compétences nécessaires pour résoudre ce problème ?

• Qui est responsable de la résolution de ce problème ?

• Quel est le coût des réparations ?

• A quelle fréquence ce type d'événement s'est-il produit sur ce bien ? Sur d'autres actifs similaires sur le site ? Au sein de mon portefeuille ? Chez d'autres équipementiers ? Chez d'autres prestataires de services ?

• Qu'est-ce que j'ai mangé aujourd'hui ?

Bon, peut-être pas le dernier... mais au moins vous continuez à lire.

Il est facile de comprendre l'importance de ce type d'information. Si vous n'exploitez qu'un seul grand BESS ou si vous n'avez que quelques sites avec le même OEM, vous pouvez probablement vous contenter d'utiliser le BMS ou le système de gestion de l'énergie (EMS) pour vos besoins de surveillance. Mais dès que vous avez quelques systèmes ou plus, et surtout s'ils impliquent différents équipementiers et intégrateurs, la gestion du torrent d'informations est décourageante, sans parler de la tentative de construire et de maintenir une stratégie cohérente d'exploitation et de maintenance.

Quelles sont les données les plus importantes pour les opérations et la maintenance et que faites-vous de ces données ?

Comme nous parlerons un peu plus tard des systèmes de refroidissement, commençons par là. Il est essentiel de connaître l'état et la santé du système de refroidissement, car la température est un facteur très important pour la santé d'une batterie. Plus il y a de relevés analogiques et de codes numériques liés à la température, mieux c'est.

Tout comme la santé du système de refroidissement, le déséquilibre des cellules est également particulièrement important en raison de son impact négatif sur les performances du système. Ces déséquilibres sont généralement le résultat de variations de la qualité de fabrication ou d'impacts de température dus à des défauts de conception du système de gestion thermique, qui entraînent une distribution déséquilibrée de l'énergie sur le bus CC partagé et peuvent rapidement faire chuter les performances des branches adjacentes. Pour ces diagnostics, il est nécessaire d'effectuer des mesures basées sur des capteurs au niveau des branches à partir du système de gestion des bâtiments.

L'état de charge (SOC) mérite également une mention particulière. Le SOC indique la capacité de décharge d'une batterie, et pour les composés à base de lithium-fer-phosphate (LFP), qui prédominent aujourd'hui, il est notoirement difficile de l'estimer. Power Factors des diagnostics avancés qui aident les opérateurs à comprendre la précision des estimations SOC natives du BMS, et nous espérons être bientôt en mesure de fournir des estimations SOC plus précises que celles fournies par le BMS lui-même.

Parmi les autres indicateurs importants du système figurent l'état de santé (SOH), l'état de charge (SOC), l'efficacité de l'aller-retour (RTE), le nombre de cycles (combien de fois la batterie s'est chargée et déchargée) et la profondeur de décharge (DOD - profondeur de la décharge de la batterie).

Lorsque le BESS est installé en même temps que l'énergie solaire, comment s'assurer que les deux fonctionnent à plein régime ? 

Tout d'abord, il est utile d'avoir une vision intégrée des performances des actifs solaires et de stockage, ce qui n'est pas toujours le cas. Rappelons le rôle du BMS. Le BMS n'est "conscient" que de son champ d'application, à savoir les composants du BESS. Il faut toujours un système d'agrégation au-dessus du BMS et des systèmes SCADA solaires. Unity APM fournit cette couche d'agrégation au-dessus des deux et inclut des outils pour les données de tendance, les KPI, la gestion des événements, les tableaux de bord, les rapports, et plus encore.

La manière dont un exploitant ou un gestionnaire d'actifs réagit à une panne sur un site hybride, qu'il s'agisse d'un onduleur solaire, d'un onduleur de batterie ou d'un convertisseur CC-CC dans le cas des systèmes couplés en courant continu, dépendra de son modèle d'exploitation et de ses objectifs de revenus pour le site. Les combinaisons possibles sont trop nombreuses pour être toutes abordées ici, mais vous trouverez une excellente synthèse du sujet dans un livre blanc rédigé par l’un des cofondateurs Power Factorset vétéran du secteur, Steve Hanawalt : «A Single Pane of Glass: One Scalable, Future-Ready APM Platform for BESS ».

Dans tous les cas, l'opérateur aura généralement recours aux systèmes SCADA et/ou PPC pour compenser la défaillance en utilisant les autres onduleurs/convertisseurs non défectueux jusqu'à ce que les réparations puissent être effectuées. Unity Power Factorssont conçus pour assurer automatiquement cette compensation en cas de défaillance d'un équipement, tout en alertant les opérateurs du problème. Dans certains cas, l'opérateur peut être amené à utiliser le système SCADA local pour intervenir en saisissant manuellement les points de consigne des onduleurs, ce qui, comme vous pouvez l'imaginer, est une tâche difficile à maintenir sur la durée.

Dans les deux cas, il s'agit d'atteindre les objectifs de production fixés pour le site, qu'il s'agisse de services auxiliaires, d'offres à l'avance ou intrajournalières, ou d'une combinaison des deux.

Quelle est la différence entre le suivi O&M des BESS installés à New York et ceux installés en Arizona ?

La différence la plus importante entre l'exploitation d'un BESS en Arizona et à New York est probablement la différence de profil météorologique. L'Arizona est généralement plus chaude que New York pendant la majeure partie de l'année, tandis que New York connaît beaucoup plus de neige et de froid que l'Arizona.

Pour les sites situés en Arizona, les opérateurs peuvent se concentrer davantage sur les signatures de défaillance liées à des conditions de température élevée, puis ajuster leurs seuils d'alarme en conséquence. Il se peut que les systèmes refroidis par liquide soient plus nombreux que ceux refroidis par air parce qu'ils sont plus efficaces ; ils disposeront donc d'une télémétrie spécifique à ces systèmes. Ils peuvent aussi être plus préoccupés par la poussière, et donc avoir un régime de remplacement des filtres plus fréquent.

À New York, ils se préparent probablement à des conditions de froid intense, voire à des ouragans ou à des inondations. Ils peuvent être particulièrement intéressés par la télémétrie et les prévisions des fournisseurs de données météorologiques spécialisés, qu'ils peuvent voir dans notre interface utilisateur grâce à nos intégrations avec ces services de données tiers.

Il est important de noter ici que de nombreux BESS ont des obligations de service, telles que des accords de capacité de réserve, qui les obligent à soutenir le réseau précisément lorsque ces événements météorologiques extrêmes se produisent, de sorte que les propriétaires et les opérateurs doivent être particulièrement préparés. C'est aussi une autre raison pour laquelle il est si important d'avoir confiance dans vos niveaux de SOC en fonction des défis d'estimation de SOC que j'ai mentionnés plus tôt.

En outre, la plupart des revenus des actifs BESS proviennent d'une fraction seulement des jours de l'année. Il est essentiel pour un propriétaire/exploitant de savoir quels jours sont susceptibles d'être concernés et de planifier la maintenance en conséquence. Cette planification sera différente entre l'Arizona et New York en raison des différences de marché et de dynamique météorologique.

Dernière chose à ce sujet : du point de vue de la maintenance, le vrai travail commence des semaines, voire des mois à l'avance, en s'assurant que tous les composants sous-jacents du système sont en bon état de fonctionnement et que vos équipes sont formées pour faire face à toute éventualité. Comme l'a dit Benjamin Franklin, « Ne pas se préparer, c'est se préparer à échouer. »

Alors que les fabricants de BESS passent de conteneurs équipés de systèmes de chauffage, ventilation et climatisation à des conteneurs utilisant la technologie de refroidissement par liquide, en quoi cela change-t-il la surveillance des opérations de maintenance et d'entretien ? 

Les changements radicaux dans la surveillance de l'exploitation et de la maintenance ne sont pas susceptibles de se produire avec la prévalence accrue des technologies de refroidissement par liquide, du moins du point de vue des données. Cependant, certaines stratégies de maintenance pourraient changer, comme la fréquence d'entretien de composants spécifiques et les procédures et équipements nécessaires pour exécuter les travaux.

En ce qui concerne les autres avancées technologiques dans le domaine des batteries susceptibles de modifier la surveillance O&M, nous pourrions assister à une maturation rapide des capacités prédictives tirant parti du big data, du machine learning (ML) et des techniques d'IA afin d'améliorer notre compréhension du fonctionnement des BESS. Par exemple, nous comprendrons mieux l'interaction complexe entre les profils d'exploitation (par exemple, la fréquence et l'intensité des cycles des systèmes) et la dégradation des systèmes. Des systèmes d'IA experts fourniront rapidement des recommandations sur les mesures à prendre, le moment opportun pour les prendre et les personnes à informer.

Les informations fournies par ces systèmes permettront non seulement d'établir des profils d'exploitation plus rentables, mais aussi d'améliorer les stratégies d'augmentation (le processus de remplacement des modules BESS et/ou des racks lorsqu'ils atteignent un certain niveau de dégradation). La plupart de ces données aideront également les développeurs à améliorer la conception de leurs BESS et à déterminer des emplacements plus optimaux pour leurs systèmes.

Comment Power Factors -t-il l'IA pour optimiser le fonctionnement des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) ?

Nous fournissons des capacités basées sur l'IA, telles que nos événements de détection précoce des défauts et nos estimations améliorées du SOC, par le biais de notre produit appelé Unity AI Insights, qui est un complément à Unity APM. Nous voyons également un énorme potentiel pour l'IA dans la fermeture de la boucle entre ces connaissances et les contrôles BESS.

Les actions de contrôle automatisées peuvent prendre la forme de choses telles que l'optimisation du recalibrage du SOC, que nous fournissons déjà aux clients aujourd'hui, la réinitialisation automatique des onduleurs dans des conditions de défaut spécifiques, ou l'exécution de profils de charge/décharge qui ont été optimisés grâce à une compréhension sophistiquée des interactions entre les signaux du marché (tels que les prix nodaux LMP), les modèles météorologiques, les données historiques de performance des actifs, et plus encore.

Nous pensons que les propriétaires qui exploiteront ces capacités bénéficieront d'un avantage concurrentiel certain, mais il est encore tôt. Franchement, cela ressemble un peu à l'industrie solaire d'il y a une dizaine d'années, lorsque tout le monde essayait de trouver les meilleurs moyens de modéliser les performances photovoltaïques, mais avec une touche d'IA moderne (et peut-être un parfum un peu plus dystopique dans l'air).

Quoi qu’il en soit, le marché regorge de personnes extrêmement compétentes qui mènent des projets très innovants, et nous sommes ravis d’en faire partie. C’est l’une des raisons pour lesquelles Power Factors réalisé d’importants investissements dans la R&D et dans des acquisitions technologiques stratégiques. Nous voulons nous positionner au cœur de cette convergence entre le big data, l’IA et les systèmes de contrôle en proposant la meilleure plateforme au monde dédiée aux données et aux systèmes de contrôle pour les énergies renouvelables.

Nous contribuons à accélérer la grande transition énergétique et nous considérons l'émergence de technologies BESS à coût compétitif comme l'un des catalyseurs les plus importants rendant cette accélération possible.

Vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont le produit Unity Performance Management Power Factorsaide les propriétaires et les exploitants de projets BESS dans leurs tâches d'exploitation et de maintenance, en améliorant la disponibilité et le rendement ? Contactez-nous !