À mesure que la part des énergies renouvelables augmente sur le réseau, la fréquence du réseau devient plus instable. L’un des moyens de gérer cette volatilité est de recourir aux services de réponse en fréquence – généralement assurés par le stockage d’énergie par batteries. Ainsi, à mesure que les schémas de fréquence évoluent, quel est l’impact sur ces batteries qui contribuent à stabiliser le réseau ?

Les services de réponse en fréquence

La fréquence du réseau traduit l’équilibre entre la production et la demande. Lorsque les deux sont parfaitement équilibrés, la fréquence du système est de 50 Hz.

Lorsque la production et la demande ne sont pas équilibrées – ce qui est pratiquement toujours le cas – la fréquence s’écarte de 50 Hz. La fréquence augmente si la production dépasse la demande, et inversement.

National Grid ESO vise à maintenir la fréquence entre 49,8 et 50,2 Hz – ce sont ses « limites opérationnelles ». (Il existe également une exigence réglementaire pour garantir que la fréquence reste entre 49,5 et 50,5 Hz.)

• Pour gérer cela, National Grid ESO s’appuie sur des services réseau. Dans cet article, nous nous concentrerons sur les services de réponse en fréquence – généralement assurés par des systèmes de stockage d’énergie par batteries.
• Si la fréquence s’écarte de moins de 0,015 Hz de 50 Hz, aucune action n’est requise – la fréquence est dans la « zone morte ».
• Les services de réponse en fréquence interviennent lorsque la fréquence s’éloigne de plus de 0,015 Hz de 50 Hz, dans un sens ou dans l’autre – c’est-à-dire lorsqu’elle sort de la « zone morte ».

La fréquence devient plus volatile

En 2023, la fréquence passe moins de temps dans ou autour de la zone morte, et plus de temps plus loin de 50 Hz. Cela signifie que la fréquence est devenue plus volatile – et que davantage de réponse en fréquence est nécessaire.

Cela s’explique principalement par la présence accrue d’énergies renouvelables sur le réseau.

• L’essor des énergies renouvelables a réduit l’inertie du réseau (lire l’explication ici), ce qui signifie que la fréquence varie plus rapidement en cas de déséquilibre entre production et demande.
• Cela introduit également une volatilité supplémentaire, car les rafales de vent et le passage des nuages entraînent des variations de production à court terme.

Depuis quelques années, la variance de la fréquence a augmenté – c’est-à-dire que la distance moyenne par rapport à 50 Hz s’est accrue. En moyenne, la fréquence s’éloigne désormais plus de 50 Hz qu’auparavant – dans les deux sens.

Qu’est-ce que cela implique pour les systèmes de stockage d’énergie par batteries qui fournissent la réponse en fréquence ?

Les taux de cyclage liés à la réponse en fréquence augmentent

Avec l’augmentation de la variabilité de la fréquence, la quantité d’énergie nécessaire pour fournir les services de réponse en fréquence augmente également. Cela signifie que les batteries doivent cycler davantage pour assurer chaque service.

En moyenne, les exigences de débit énergétique pour assurer les services de réponse en fréquence ont augmenté de plus de 3 % en 2023.

Le débit de livraison ici fait référence au nombre de cycles requis pour fournir chaque service, pour une batterie d’une heure contractée à 100 % de puissance disponible.

Mais... ces taux de cyclage varient énormément

La fréquence n’est pas toujours prévisible. Selon les jours, la fréquence peut être plus ou moins volatile, ou évoluer fortement dans une direction. Cela a un impact majeur sur les exigences de cyclage des services de réponse en fréquence.

• La Régulation Dynamique présente la plus grande variation absolue de cyclage – mais la Modération Dynamique connaît la variation la plus importante en pourcentage.
• Cela est dû à l’augmentation de la puissance délivrée lorsque la fréquence s’écarte de plus de 0,1 Hz de 50 Hz.
• Lors des journées où la fréquence s’éloigne le plus de 50 Hz, la Modération Dynamique exige presque trois fois plus de débit énergétique – et donc de cycles – que ce que les batteries fournissent habituellement dans ce service.

Les taux de cyclage quotidiens dépendent de la variance de fréquence sur la journée. Plus la fréquence s’éloigne de 50 Hz, plus les batteries doivent cycler dans les services de réponse en fréquence.

En général, les taux de cyclage dans les services à haute et basse fréquence sont inversement proportionnels. Les journées où le cyclage est le plus élevé dans un sens sont souvent celles où il est le plus faible dans l’autre. Cela peut avoir un impact important sur la gestion de l’état de charge.

Étude de cas : réponse en fréquence le 1er avril 2023

Le 1er avril 2023, la fréquence est restée sous les 50 Hz la majeure partie de la journée. La fréquence moyenne sur la journée a été de 49,96 Hz – la journée la plus basse depuis avant 2020 ! Malgré cela, la fréquence est restée principalement dans les bandes opérationnelles de 0,2 Hz.

Cette faible fréquence a eu de fortes conséquences pour les fournisseurs de réponse en fréquence.

• L’impact sur la Contention Dynamique a été limité (en raison de besoins énergétiques moindres).
• En revanche, la Modération Dynamique aurait nécessité plus d’un cycle de décharge complet (pour une batterie d’une heure à 100 % de puissance disponible).
• La Réponse en Fréquence Ferme aurait nécessité près de deux cycles de décharge complets.
• Et la Régulation Dynamique ? 4,8 cycles de décharge, pour un seul cycle de charge.

Quel impact pour les fournisseurs de Régulation Dynamique ?

Le 1er avril, l’écart entre les besoins énergétiques des services de Régulation Dynamique haute et basse fréquence a obligé les systèmes contractés à recourir massivement au marché de gros – afin de maintenir un état de charge suffisant pour remplir leurs obligations.

Cela a fortement réduit les revenus que les fournisseurs de Régulation Dynamique ont pu générer ce jour-là. Dans certains cas, le coût de gestion de l’état de charge (en achetant de l’énergie sur le marché de gros) a totalement annulé les revenus issus de la réponse en fréquence.

Kemsley, une batterie de 50 MW, a contracté en moyenne 56 % de sa puissance sur la Régulation Dynamique basse fréquence le 1er avril. Pour remplir ses obligations, l’actif a dû se recharger à plusieurs reprises sur le marché de gros.

Qu’avons-nous appris ?

• Les exigences de cyclage pour les services de réponse en fréquence augmentent (en moyenne). Avec l’essor des énergies renouvelables et la baisse de l’inertie, cette tendance devrait se poursuivre.
• La volatilité du nombre de cycles nécessaires augmente également. Gérer cette variabilité peut coûter cher et perturber fortement l’exploitation prévue.
• La volatilité des besoins de cyclage pour la Régulation Dynamique signifie que fournir ce service certains jours peut dépasser les limites de cyclage d’un actif – s’il n’est pas bien géré.