Les systèmes solaires photovoltaïques dépendent de la lumière du soleil. Les systèmes de stockage d’énergie par batterie sont conçus pour absorber et libérer de l’énergie au bon moment. Comme exemple d’une chaude journée d’été, cela semble parfaitement convenir, car il y a beaucoup de soleil, beaucoup d’énergie générée et une forte demande de refroidissement, mais la réalité est beaucoup plus compliquée. En raison des vagues de chaleur croissantes, les températures extrêmes ont commencé à agir comme un test qui révèle les défauts, accélère le processus de dégradation et remet en question la sécurité réelle des systèmes photovoltaïques et de stockage.
Le paradoxe solaire : plus de soleil, moins d’énergie ?
Cela semble contre-intuitif : les panneaux photovoltaïques convertissent la lumière du soleil en électricité, alors pourquoi un temps plus chaud réduit-il leur production ? La réponse réside dans lecoefficient de températurede cellules photovoltaïques.
Les conditions de test standard évaluent les modules PV à une température de cellule de 25 degrés avec un éclairement énergétique de 1 000 W/m². Cependant, sur le terrain, les températures des modules s'élèvent régulièrement bien au-dessus de la température de l'air ambiant lors des journées chaudes et ensoleillées. Les cellules solaires en silicium cristallin-la technologie dominante aujourd'hui-présentent un coefficient de température de puissance négatif, généralement compris entre –0,38 % et –0,44 % par degré Celsius. Cela signifie que pour chaque degré d'augmentation de la température de la cellule, la puissance électrique du module diminue d'environ 0,38 % à 0,44 %.
Prenons un exemple pratique : si la température de la cellule passe de 25 degrés à 65 degrés -scénario courant un après-midi d'été-la perte de puissance atteint environ 16 % (en supposant –0,4 %/degré). Dans des conditions de canicule extrêmes, les températures des cellules peuvent dépasser 70 degrés, poussant le déclassement total au-delà de 17 %. Des études de terrain ont montré que lors de vagues de chaleur prolongées, les parcs photovoltaïques peuvent perdre jusqu'à 90 % de leur potentiel de production horaire, non pas à cause de la couverture nuageuse, mais uniquement à cause des effets thermiques.
Il faut toutefois noter que la température est rarement le seul facteur en cause. La chaleur joue un rôle aggravant alors que d’autres problèmes existent déjà. Les modules sales, l'ombrage partiel, la croissance de plantes et toute partie endommagée des modules deviennent particulièrement importants dans des conditions d'irradiation et de température élevées. L'exemple typique peut être le phénomène du "point chaud", lorsque le module ombragé ou endommagé consomme de l'énergie au lieu de la générer, et donc la température à un endroit donné augmente. De plus, les onduleurs photovoltaïques sont des appareils électroniques dont la plage de fonctionnement est limitée. Ainsi, lorsque la température ambiante augmente, le degré d'efficacité du refroidissement de l'onduleur est réduit, ce qui entraîne une surchauffe à l'intérieur de l'onduleur et peut provoquer un déclassement voire un arrêt du système, aggravant ainsi le vieillissement des modules et réduisant l'efficacité de la centrale solaire en général.
Batteries sous le feu : le double coup dur de la chaleur
Pour les batteries lithium-ion, la chaleur est encore plus problématique. Ces systèmes électrochimiques se dégradent selon deux mécanismes principaux : le vieillissement calendaire (dépendant du temps, quelle que soit l'utilisation) et le vieillissement cyclique (induit par une charge-décharge). Les deux sont fortement influencés par la température, l’état de charge (SoC), la profondeur de décharge et les taux de charge/décharge.
Les recherches montrent systématiquement qu'une température élevée, combinée à un SoC élevé et à un cycle profond, accélère considérablement la perte de capacité. Dans les applications couplées au photovoltaïque, les batteries sont souvent chargées rapidement pendant les pics solaires de midi, puis maintenues à un SoC élevé pendant plusieurs heures tandis que les températures ambiantes restent élevées. Ce modèle de fonctionnement-charge rapide suivie d'une exposition prolongée à la chaleur à haut niveau de SoC-est particulièrement nocif. Pour chaque augmentation de 10 degrés de la température moyenne de fonctionnement, le taux de vieillissement calendaire peut environ doubler, selon le comportement de type Arrhenius observé dans de nombreuses chimies lithium-ion.
Outre les problèmes de performances internes, un autre facteur critique est la sécurité. Les batteries au lithium-ion peuvent rencontrer toute une série de problèmes, tels qu'une surcharge ou des dommages dus à une force mécanique ou à des courts-circuits à l'intérieur de leurs composants. En conséquence, la température de la source s'élève jusqu'à 130 degrés et au-dessus ; ce coup de pied-démarre la série de réactions à l'intérieur de la batterie, y compris la panne du SEI et l'évaporation de l'électrolyte. Si la température continue d'augmenter, la cellule peut augmenter sa température de surface jusqu'à 1 200 degrés ou plus et libérer des gaz inflammables à des températures supérieures à 600 degrés. Pour les grosses batteries largement utilisées aujourd'hui dans les solutions industrielles, la température pendant l'emballement peut atteindre des niveaux supérieurs à 800 degrés.
Les systèmes de gestion thermique-refroidissement par air, refroidissement par liquide, matériaux à changement de phase-doivent travailler plus dur dans des conditions chaudes, consommant de l'énergie parasite et réduisant l'efficacité globale du système. Lorsque la température d'une cellule, d'un rack ou d'un autre conteneur approche certaines limites, le système de gestion de la batterie (BMS) réduit automatiquement la puissance et restreint les fonctionnalités. Bien que les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) actuels contiennent des capteurs de secours, des systèmes d'extinction d'incendie et des systèmes de refroidissement, il existe toujours des risques d'emballement thermique puisque les défauts dans la production de cellules individuelles peuvent rester indétectables jusqu'à ce qu'elles soient exposées à des températures extrêmes. Par conséquent, il est crucial de concevoir ces systèmes de manière à empêcher l'escalade des pannes, à identifier les problèmes susceptibles de conduire à des dégagements de gaz et à empêcher les incidents locaux de se transformer en catastrophes.
Défis au niveau du système : le tango du stockage photovoltaïque
Dans les centrales hybrides solaire-stockage, les effets thermiques convergent et interagissent. Le générateur photovoltaïque produit un maximum d’énergie pendant l’irradiation maximale, mais en perd une partie à cause de la chaleur. Le système de stockage, chargé d’absorber l’énergie excédentaire de midi, subit simultanément la charge la plus élevée aux heures les plus chaudes. Cela crée un paradoxe opérationnel : du point de vue de l'optimisation du réseau, il est logique de charger complètement la batterie à midi et de la maintenir à un niveau de SoC élevé pour les décharges de pointe le soir ; cependant, du point de vue de la longévité et de la sécurité, cette même stratégie accélère la dégradation et augmente le risque thermique.
Ainsi, on peut dire qu’il n’existe pas de « meilleur » mode opérationnel universel. Il est nécessaire d'équilibrer les revenus possibles du commerce de l'énergie, l'optimisation de l'autoconsommation, la réponse en fréquence par rapport à la perte d'efficacité, l'énergie de refroidissement, l'usure accélérée des batteries et le risque plus élevé d'arrêts imprévus. Des systèmes modernes de gestion de l'énergie (EMS) se développent afin de gérer cette complexité.-Les systèmes EMS surveillent les températures des modules et des cellules, les prévisions météorologiques, les prix du marché et les signaux du réseau et génèrent des stratégies opérationnelles appropriées. Par exemple, geler la batterie la nuit, contrôler la vitesse de charge pendant la chaleur ou même limiter délibérément la production d’électricité peuvent également être justifiés sur le plan économique.
Conclusion : la résilience technique pour un avenir plus chaud
La chaleur intense est désormais un phénomène courant plutôt qu’une exception ; cela devient un test régulier pour la technologie des énergies renouvelables. Pour réussir le test, il faut réfléchir-à l'ensemble du système et ne pas se contenter de sélectionner des modules avec un coefficient de température amélioré ou d'installer des dispositifs de refroidissement plus grands. Au lieu de cela, il faut une conception thermique efficace, une modélisation-spécifique au site (en tenant compte du microclimat et de la ventilation), une maintenance appropriée (y compris des inspections infrarouges et l'utilisation de-analyse de données en temps réel) et des décisions opérationnelles intelligentes qui doivent être prises en équilibrant les avantages financiers à court-terme et la santé à long-de l'actif.
Avec l’accélération de la transition énergétique et le développement de capacités solaires et de stockage accrues dans les zones chaudes, sèches et tropicales, la capacité à comprendre et à gérer le stress thermique sera essentielle pour tous les développeurs, opérateurs et investisseurs. Afin de faire face à la chaleur, nous devons la traiter non pas comme une réflexion après coup, mais comme un paramètre de conception de base dès le début du projet.
