Analyse technique par Liu, directeur de la R&D chez KRL Power — 20 ans d’expérience en ingénierie du stockage d’énergie pour les secteurs commercial et industriel, anciennement au sein du département R&D de Huawei.
Un client professionnel a demandé un système solaire avec stockage destiné à une charge de 130 kVA qui doit rester opérationnelle pendant sept heures d'affilée. Le cahier des charges préliminaire mentionne un onduleur de 250 kW, deux armoires de batteries de 522 kWh et un parc photovoltaïque de 219,45 kWc composé de modules de 550 W. Le système est destiné à un fonctionnement commercial hors réseau ou en secours, et le client ne dispose pas actuellement de générateur diesel.
À première vue, la liste des équipements semble raisonnable. Cependant, un devis fiable ne peut pas se fonder uniquement sur les kVA et les heures de fonctionnement. Les paramètres techniques déterminants sont la puissance réelle en kW de la charge, le facteur de puissance, la demande de démarrage des moteurs, l’équilibre entre les phases, le profil de charge quotidien, l’état de charge de réserve requis et l’énergie qui doit rester disponible à la fin de la durée de vie de la batterie.
Le KRL B522L n’est pas un simple caisson d’extension à batterie. Chaque unité constitue un système complet de micro-réseau combinant énergie solaire, stockage, réseau électrique et diesel, intégrant une batterie de 522 kWh, un onduleur PCS de 250 kW, un MPPT de 240 kW, un BMS et un EMS. Deux unités B522L complètes connectées en parallèle fournissent donc une puissance de 500 kW au niveau du PCS, une énergie nominale de batterie de 1,044 MWh et une capacité MPPT intégrée totale de 480 kW. Leurs sorties CA doivent être combinées via une armoire de couplage en parallèle spécialement conçue, en amont du système de distribution principal.
Cet article explique comment KRL Power procéderait à l'analyse de cette architecture parallèle avant de proposer une solution définitive. L'objectif n'est pas de vanter outrepasse les mérites du système, mais de mettre en évidence les points forts de la configuration proposée, les conditions dans lesquelles son autonomie de sept heures s'applique, ainsi que les données relatives au site qui doivent être confirmées avant la fabrication.
Ce que le client demande à KRL Power de lui fournir
Le cahier des charges du projet contient les exigences techniques et commerciales suivantes :
- Applications commerciales et industrielles hors réseau ou d'alimentation de secours.
- Une charge de 130 kVA fonctionnant en continu pendant sept heures.
- Un onduleur bidirectionnel de 250 kW ou une section PCS.
- Deux armoires de batteries de 522 kWh, offrant une capacité de stockage nominale de 1 044 kWh.
- Un parc photovoltaïque de 219,45 kWc composé de 399 modules d'une puissance nominale de 550 W chacun.
- Il n'y a pas de groupe électrogène diesel.
- Installation et mise en service sur site, prises en charge par le client.
- Une logistique au port FOB plutôt qu'une livraison depuis un entrepôt africain local.
- Cotation et règlement en dollars américains (USD), avec une conversion indicative en monnaie locale.
- Structure de paiement proposée : acompte de 50% et solde avant expédition.
Un détail commercial doit être corrigé avant la publication du devis. Le cahier des charges indique que le projet concerne une installation en Afrique du Sud, alors que les notes relatives à l’entrepôt et à la devise font référence au Nigeria et au naira nigérian. Le pays, le port de destination, l’importateur officiel et la devise de règlement ont une incidence sur le fret, les droits de douane, les exigences en matière de réseau électrique, la conception environnementale et les autorisations locales. KRL doit donc conserver une approche neutre vis-à-vis du pays dans son concept d’ingénierie jusqu’à ce que le client confirme le pays et le port d’installation définitifs.
Première vérification technique : 130 kVA ne correspond pas automatiquement à 130 kW
La puissance apparente en kVA et la puissance active en kW sont liées par le facteur de puissance :
Puissance réelle (kW) = Puissance apparente (kVA) × Facteur de puissance
Pour une charge de 130 kVA, les besoins énergétiques sur sept heures varient considérablement en fonction du facteur de puissance :
| Facteur de puissance supposé | Charge réelle | Seven-Hour Energy | Autonomie estimée à partir d'une énergie de 883 kWh en courant alternatif |
|---|---|---|---|
| 0.80 | 104 kW | 728 kWh | 8 h 49 |
| 0.90 | 117 kW | 819 kWh | 7 h 55 |
| 0.95 | 123,5 kW | 864,5 kWh | 7 h 15 |
| 1.00 | 130 kW | 910 kWh | 6,79 heures |
Deux armoires de 522 kWh fournissent une énergie nominale en courant continu de 1 044 kWh. Si un calcul de conception initial se base sur une profondeur de décharge utile de 90% et un rendement courant continu-courant alternatif de 94%, l'énergie en courant alternatif estimée en début de vie est la suivante :
1 044 kWh × 0,90 × 0,94 ≈ 883 kWh
Cette valeur ne tient pas encore compte de la consommation auxiliaire, du déclassement à haute température, des pertes dans les câbles au-delà de la marge simplifiée, de la réserve d’état de charge (SOC), du déséquilibre des cellules ni de la dégradation future de la capacité. Par conséquent, deux armoires de 522 kWh peuvent assurer une autonomie de sept heures lorsque la charge réelle mesurée se situe entre 115 et 117 kW, mais la marge est étroite. Si la charge se maintient autour de 130 kW, la capacité de batterie proposée ne permet pas de garantir de manière fiable une autonomie de sept heures.
KRL doit disposer d'au moins sept jours de données sur la puissance en kW, en kVA et le facteur de puissance, relevées toutes les 15 minutes. En présence de moteurs, de compresseurs, de pompes ou d'équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), le client doit également fournir la puissance nominale maximale du moteur, le mode de démarrage et la séquence de démarrage simultané. Cela permet d'éviter l'erreur courante qui consiste à dimensionner correctement la consommation d'énergie tout en sous-estimant la puissance instantanée.
Ce que changent deux unités B522L complètes
Chaque B522L intègre son propre PCS bidirectionnel de 250 kW. Le raccordement en parallèle de deux unités complètes permet d’obtenir une capacité totale de PCS de 500 kW. Le système EMS peut limiter la puissance de fonctionnement à la charge réelle de 130 kVA, tandis que la marge de puissance supplémentaire du PCS peut servir à plusieurs fins techniques :
- Prise en charge des pics de consommation liés au démarrage des moteurs ou aux courants d'appel des transformateurs de courte durée.
- Maintenir la tension lors de variations brusques de charge en mode hors réseau.
- Permettre à l'énergie photovoltaïque d'alimenter la charge tandis que l'électricité excédentaire recharge la batterie.
- Évitez un fonctionnement continu à proximité de la limite thermique du PCS.
- Assurer une redondance au niveau des unités et disposer d'une capacité de réserve pour une augmentation future de la charge, dans le respect de la stratégie de contrôle parallèle approuvée et des limites des batteries.
Le verdict final dépend de la courbe de surcharge du PCS et de la batterie Taux C, la température sur site, le profil de surtension et la logique de commande en parallèle. Le dossier final doit inclure la puissance nominale totale et par unité, la durée de surcharge, la contribution en cas de court-circuit, la séquence de démarrage à froid, la logique de synchronisation, la redondance des communications et les limites de déséquilibre triphasé. KRL doit également confirmer que le client accepte une puissance nominale installée de 500 kW pour le système de synchronisation de puissance (PCS), même si la charge actuelle est bien inférieure.
Architecture KRL recommandée
L'architecture KRL recommandée utilise deux unités complètes de micro-réseau B522L (énergie solaire, stockage, réseau, diesel) fonctionnant en parallèle. Chaque unité offre une capacité de stockage de 522 kWh, un onduleur (PCS) de 250 kW, un MPPT intégré de 240 kW à deux voies, un fonctionnement en réseau et hors réseau avec commutation transparente, un système intégré BMS/PCS/EMS, un refroidissement par liquide, une armoire de batteries IP65 et des communications RS485/Wi-Fi/4G.
Les deux sorties CA du B522L ne doivent pas être raccordées directement à un bus de site non conçu à cet effet. Chaque sortie doit être raccordée à une armoire de regroupement en parallèle KRL dédiée, dotée d’une protection individuelle des entrées, d’un dimensionnement des barres omnibus, d’un comptage, d’une isolation, d’un verrouillage et d’une protection coordonnée. La sortie du combinateur est ensuite raccordée au commutateur ATS/tableau de distribution principal et au bus de charge critique de 130 kVA. Le raccordement au réseau électrique (en option) et toute future interface avec un groupe électrogène diesel doivent respecter la conception de synchronisation et de commutation approuvée par KRL.
Le système ainsi mis en place devrait comprendre :
- Deux unités complètes de micro-réseau tout-en-un KRL B522L d'une capacité de 522 kWh.
- Deux sections PCS intégrées de 250 kW chacune, offrant une puissance installée totale de 500 kW.
- Deux sections MPPT intégrées de 240 kW chacune, offrant une capacité MPPT totale de 480 kW.
- Une armoire de couplage parallèle KRL avec entrées protégées, barre omnibus commune, comptage et isolation.
- Coordination EMS de type maître-esclave ou pair-à-pair pour la priorité photovoltaïque, le contrôle de charge, le niveau de charge de réserve, la synchronisation et le partage de charge.
- ATS/réseau de distribution principal, interface avec le réseau et interface avec le groupe électrogène diesel de secours, conformément au mode de fonctionnement confirmé.
- Isolation CC/CA, protection contre les surtensions, mise à la terre, arrêt d'urgence et interfaces de sécurité incendie.
- Surveillance à distance via RS485, Wi-Fi ou 4G, en fonction des moyens de communication disponibles sur site.
Pour plus d'informations sur ce produit, consultez le Système KRL B522L de 250 kW / 522 kWh et le Portefeuille de solutions ESS commerciales et industrielles de KRL.
Conception du système de recharge photovoltaïque de 219,45 kWc
La quantité PV est mathématiquement évidente :
399 modules × 550 W = 219,45 kWc
Les deux unités B522L offrent une capacité MPPT intégrée totale de 480 kW ; le champ photovoltaïque proposé de 219,45 kWc ne nécessite donc pas d’onduleur photovoltaïque externe. Cependant, le nombre de modules ne suffit pas à lui seul à garantir la compatibilité électrique. La conception finale des chaînes nécessite de connaître les valeurs Voc, Vmp, Isc et les coefficients de température du module sélectionné, ainsi que la fenêtre de tension MPPT de chaque unité, la limite de courant de circuit et la température minimale du site.
Une configuration à titre d'exemple comprend 21 chaînes de 19 modules chacune. Les groupes de chaînes peuvent être répartis entre l'unité A et l'unité B du B522L — par exemple, 11 chaînes et 10 chaînes — tout en respectant les chemins MPPT disponibles et en maintenant les courants de ces chemins dans les limites autorisées. Il s'agit uniquement d'un concept de planification. KRL doit effectuer les calculs de tension en circuit ouvert (Voc) à basse température, de courant, d'attribution des voies et d'équilibrage des unités avant de valider la configuration des chaînes.
La production quotidienne du parc photovoltaïque dépend également de son emplacement, de son orientation, de l’ombrage, de l’encrassement et des conditions météorologiques. En se basant sur une fourchette préliminaire de 4,5 à 5,5 heures d’ensoleillement de pointe et un coefficient de rendement compris entre 0,78 et 0,82, on obtient environ 770 à 990 kWh par jour. Un cas représentatif, avec 5,0 heures d’ensoleillement et un coefficient de rendement de 0,80, produit environ 878 kWh par jour. Cela permet de couvrir la consommation d’une charge de 117 kW pendant sept heures, mais laisse peu de marge pour la consommation diurne ou pour compenser les périodes de mauvais temps.
En l'absence de groupe électrogène diesel, le client doit déterminer comment le système se comportera après plusieurs jours de faible ensoleillement. Les options possibles consistent à conserver un raccordement au réseau comme solution de secours, à augmenter la capacité photovoltaïque et de stockage après une simulation énergétique, à délester les charges non essentielles ou à prévoir une interface future pour un groupe électrogène. Une batterie constitue un tampon énergétique ; ce n'est pas une source d'énergie illimitée.
Modes de fonctionnement à programmer
Fonctionnement diurne donnant la priorité à l'énergie solaire
L'énergie photovoltaïque alimente en priorité la charge active. L'énergie photovoltaïque restante recharge la batterie dans les limites imposées par la cellule, le BMS et le MPPT. Le système de gestion de l'énergie (EMS) empêche la surcharge de la batterie et limite la puissance lorsque les conditions du générateur photovoltaïque, de la charge et de la batterie ne permettent pas d'atteindre la puissance maximale.
Fonctionnement sur batterie de secours
Lorsque le réseau est indisponible — ou dans le cas d’une installation entièrement hors réseau —, le PCS établit le bus CA et la batterie alimente les charges critiques sélectionnées. Le niveau de charge (SOC) de réserve doit être défini en fonction du risque de coupure acceptable pour le client, et non pas simplement ramené à la valeur la plus basse possible dans le but d’annoncer une autonomie plus longue.
Reprise des activités après une interruption prolongée
Lorsque l'énergie solaire est à nouveau disponible, le système de gestion de l'énergie (EMS) doit trouver un équilibre entre la charge active et la recharge des batteries. Si la totalité de la production photovoltaïque est consommée par l'installation, la recharge des batteries sera lente, voire impossible. Le plan de mise en service doit donc définir les priorités en matière de délestage ainsi qu'un objectif minimal de recharge avant le rétablissement des charges non critiques.
Aménagement du site, installation et responsabilités du client
Le client indique que son équipe est en mesure d’installer et de mettre en service les équipements. Cela peut permettre de réduire les coûts de maintenance sur place, mais ne dispense pas de la nécessité de disposer d’un dossier technique homologué. KRL doit fournir le schéma unifilaire définitif, le plan d’implantation des équipements, les charges sur les fondations, le tableau des câbles, les réglages de protection, les exigences en matière de mise à la terre, le plan des communications, la liste des E/S, les procès-verbaux des essais d’acceptation sur site (FAT) et la liste de contrôle de mise en service.
Le client doit encore confirmer si les unités B522L et l'armoire de regroupement seront installées à l'intérieur ou à l'extérieur, ainsi que l'altitude, les températures minimales et maximales, l'exposition à la corrosion côtière, les précipitations et le niveau d'inondation, les conditions de poussière, le drainage, l'accès des pompiers, le tracé des câbles, l'éclairage du site et les exigences locales en matière d'autorisations. Le schéma de principe prévoit deux unités B522L IP65 en extérieur et une armoire de regroupement protégée, disposées en parallèle sur des socles en béton préfabriqués. Le système ATS, le tableau de distribution principal et l’IHM EMS doivent être installés dans un local électrique sec à accès contrôlé, sauf si KRL approuve une installation en extérieur.
Logistique FOB et limites commerciales
Dans le cadre des conditions FOB, KRL et l'acheteur doivent désigner le port de destination indiqué dans le contrat. Les responsabilités habituelles de KRL comprennent la fabrication, les essais en usine, l'emballage pour l'exportation, le transport terrestre jusqu'au port chinois désigné, les formalités douanières à l'exportation et le chargement à bord, sous réserve du devis signé. L'acheteur se charge généralement du fret maritime principal, de l'assurance maritime, des formalités douanières à destination, des droits de douane, de la livraison terrestre, du déchargement et de l'installation sur place.
Si le règlement s'effectue en dollars américains (USD), la conversion en naira ou en rand ne doit figurer qu'à titre de référence datée, car la valeur en monnaie locale varie en fonction du taux de change. Le montant contractuel faisant foi doit rester le montant convenu en dollars américains. Le paiement anticipé proposé selon la condition 50% et le solde avant expédition doivent également figurer sur la facture pro forma, ainsi que le calendrier de production, le point de validation FAT et la procédure relative aux documents d'expédition.
Informations dont KRL a besoin avant de recevoir une proposition ferme
Avant que KRL ne finalise la nomenclature et les conditions de garantie, le client doit fournir :
- Le pays, l'adresse d'installation, le port de destination et l'importateur officiel ont été confirmés.
- Sept jours de données relatives à la puissance en kW, au kVA, au facteur de puissance et au courant de phase, enregistrées toutes les 15 minutes.
- Schéma unifilaire, tension, fréquence, système de mise à la terre et niveau de court-circuit.
- Liste des charges critiques, caractéristiques nominales des moteurs, méthodes de démarrage et délestage autorisé.
- Autonomie requise au début et à la fin de la durée de vie de la batterie.
- Fiche technique du module photovoltaïque : surface disponible, orientation, inclinaison, ombrage et longueur des câbles.
- La disponibilité du réseau et la nécessité d'un fonctionnement en exportation, sans exportation ou entièrement hors réseau.
- Données relatives à l'emplacement (intérieur/extérieur), à la température, à l'altitude, à l'humidité, à la poussière, à la corrosion et aux inondations.
- Exigences locales en matière de sécurité incendie, d'installation électrique, de structure et de raccordement aux réseaux publics.
- Périmètre d'installation, plan de levage, outillage, instruments de contrôle et attentes en matière d'assistance à distance.
Conclusion technique
Deux unités KRL B522L complètes, une armoire de couplage en parallèle KRL et un parc photovoltaïque de 219,45 kWc constituent un point de départ solide pour ce projet de secours commercial de 130 kVA. Le système en parallèle offre une puissance installée de 500 kW pour les onduleurs (PCS), une capacité de stockage nominale de 1,044 MWh et une capacité MPPT intégrée totale de 480 kW. Le système de gestion de l’énergie (EMS) doit limiter et répartir la puissance en fonction de la charge réelle, tandis que l’énergie des batteries permet d’atteindre un objectif de sept heures lorsque la charge réelle est proche de 117 kW et que le déclassement du site est modéré.
Il ne faut pas encore le présenter comme une solution inconditionnelle de sept heures. Si la charge réelle avoisine les 130 kW, si de gros moteurs démarrent simultanément ou si une autonomie jusqu’à la fin de vie est obligatoire, la capacité de stockage ou la stratégie de charge prise en charge doit être ajustée. La prochaine étape pour KRL Power consiste en une analyse de la charge mesurée et une simulation énergétique spécifique au site, suivies d’une SLD définitive, d’une nomenclature (BOM), d’une philosophie de contrôle et d’un devis en dollars américains FOB.