Les technologies d'alimentation sans interruption (UPS) sont utilisées dans diverses applications depuis de nombreuses années pour assurer le fonctionnement continu des charges clés pendant les interruptions de l'alimentation électrique du réseau. Ces systèmes ont été utilisés dans de nombreux endroits différents pour fournir une immunité supplémentaire contre les interruptions du réseau interférant avec le fonctionnement de charges définies. Les systèmes UPS sont souvent utilisés pour protéger les ordinateurs, les installations informatiques et les équipements de télécommunication. Avec l’évolution récente des nouvelles technologies énergétiques, les systèmes de stockage d’énergie (ESS) ont proliféré rapidement. Les ESS, en particulier ceux utilisant des technologies de batteries, sont généralement alimentés par des sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne et permettent le stockage de l'énergie produite par ces sources pour une utilisation à différents moments.

La norme ANSI américaine actuelle pour les onduleurs est UL 1778, la norme pour les systèmes d'alimentation sans coupure. et CSA-C22.2 n° 107.3 pour le Canada. UL 9540, la norme relative aux systèmes et équipements de stockage d'énergie, est la norme nationale américaine et canadienne pour les ESS. Bien que les produits UPS matures et les ESS produits en évolution rapide présentent des points communs en termes de solutions techniques, d'exploitation et d'installation, il existe des différences importantes. Ce document passera en revue les différenciations critiques, présentera les exigences de sécurité des produits applicables associées à chacune et résumera l'évolution des codes pour traiter les deux types d'installations.

PrésentationUPS

Formation

Un système UPS est un système électrique conçu pour fournir une alimentation instantanée temporaire basée sur un courant alternatif pour les charges critiques en cas de panne du réseau électrique ou d'autres modes de panne de la source d'alimentation secteur. L'onduleur est dimensionné pour fournir une continuité instantanée d'une quantité d'énergie prédéterminée pendant une durée spécifique. Cela permet à une source d'alimentation secondaire, par exemple un générateur, de se mettre en ligne et de continuer à fournir une alimentation de secours. L'onduleur peut arrêter en toute sécurité les charges non essentielles tout en continuant à alimenter des charges d'équipement plus importantes. Les systèmes UPS fournissent ce support essentiel pour diverses applications depuis de nombreuses années. Un UPS utilisera l’énergie stockée à partir d’une source d’énergie intégrée. Il s’agit généralement d’un parc de batteries, d’un supercondensateur ou du mouvement mécanique d’un volant d’inertie comme source d’énergie.

Un onduleur typique utilisant un parc de batteries pour son alimentation se compose des composants principaux suivants :

Redresseur/chargeur – Cette section UPS prend l'alimentation secteur AC, la redresse et produit une tension DC utilisée pour charger les batteries.

• Onduleur – En cas de panne d'alimentation secteur, l'onduleur convertira la puissance CC stockée dans les batteries en puissance de sortie CA propre adaptée à l'équipement pris en charge.

• Commutateur de transfert – Un dispositif de commutation automatique et instantané qui transfère l'alimentation de diverses sources, par exemple le secteur, l'onduleur UPS et le générateur, vers une charge critique.

• Banque de batteries – Stocke l'énergie nécessaire à l'onduleur pour remplir sa fonction prévue.

Normes actuelles pour les systèmes UPS

• La norme ANSI américaine actuelle pour les onduleurs est UL 1778/C22.2 n° 107.3, la norme pour les systèmes d'alimentation sans coupure, qui définit un onduleur comme « une combinaison de convertisseurs, de commutateurs et de dispositifs de stockage d'énergie (tels que des batteries) constituant une alimentation ». système permettant de maintenir la continuité de l’alimentation d’une charge en cas de panne de courant d’entrée.

• De nouvelles éditions des normes CEI 62040-1 et CEI 62477-1 sont en cours d'élaboration. UL/CSA 62040-1 (utilisant UL/CSA 62477-1 comme norme de référence) sera harmonisée avec ces normes.

Présentation stockage d'énergie systèmes (ESS)

Les ESS gagnent du terrain en tant que réponse à un certain nombre de défis liés à la disponibilité et

fiabilité sur le marché énergétique actuel. Les ESS, en particulier ceux utilisant des technologies de batteries, contribuent à atténuer la disponibilité variable des sources renouvelables telles que l’énergie solaire ou éolienne. Les ESS sont une source d'énergie fiable pendant les périodes de pointe d'utilisation et peuvent aider à la gestion de la charge, aux fluctuations de puissance et à d'autres fonctions liées au réseau. Les ESS sont utilisés pour des applications utilitaires, commerciales, industrielles et résidentielles.

Normes actuelles pour l’ESS

UL 9540, la norme relative aux systèmes et équipements de stockage d'énergie, est la norme nationale américaine et canadienne pour les ESS.

• Publiée pour la première fois en 2016, la norme UL 9540 inclut plusieurs technologies pour les ESS, notamment les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS). UL 9540 couvre également d'autres technologies de stockage : les ESS mécaniques, par exemple le stockage par volant d'inertie associé à un générateur, les ESS chimiques, par exemple le stockage d'hydrogène associé à un système de pile à combustible, et les ESS thermiques, par exemple le stockage de chaleur latente associé à un générateur.
• UL 9540, sa deuxième édition définit un système de stockage d'énergie comme « un équipement qui reçoit de l'énergie et fournit ensuite un moyen de stocker cette énergie sous une forme quelconque pour une utilisation ultérieure afin de fournir de l'énergie électrique en cas de besoin ». La deuxième édition de la norme UL 9540 exige en outre qu'un BESS soit soumis à la norme UL 9540A, la méthode d'essai standard pour évaluer la propagation du feu par emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie, si cela est nécessaire pour répondre aux exceptions des codes.
• UL 9540 en est actuellement à sa troisième édition.

Comparaison entre ESS et UPS

Fonctions et dimensions

Un ESS est de construction similaire à un UPS mais diffère dans son utilisation. Comme UPS, ESS comprend un mécanisme de stockage d'énergie tel que des batteries, des équipements de conversion de puissance, par exemple des onduleurs, et divers autres appareils électroniques et commandes. Cependant, contrairement à l'onduleur, un ESS peut fonctionner en parallèle avec le réseau, ce qui entraîne un cyclage du système plus important que celui qu'un onduleur pourrait jamais connaître. Un ESS peut collaborer de manière interactive avec le réseau ou en mode autonome, ou les deux, selon le type de système de conversion d'énergie utilisé. Un ESS peut même fonctionner comme fonctionnalité UPS. Comme les UPS, les ESS peuvent être de différentes tailles, depuis un petit système résidentiel consommant moins de 20 kWh d'énergie jusqu'aux applications utilitaires utilisant des systèmes de conteneurs d'énergie de plusieurs mégawatts avec plusieurs racks de batteries dans le conteneur.

Composition chimique et sécurité

Les compositions chimiques de batterie typiques utilisées dans les UPS ont toujours été des batteries au plomb ou au nickel-cadmium. Contrairement aux UPS, BESS utilise dès le départ des technologies telles que les batteries lithium-ion, car les batteries lithium-ion ont de meilleures performances de cycle et une densité énergétique plus élevée, ce qui peut fournir plus d'énergie avec une empreinte physique plus petite. Les batteries lithium-ion nécessitent également beaucoup moins d’entretien que les technologies de batteries traditionnelles. Mais actuellement, les batteries lithium-ion sont également de plus en plus utilisées dans les applications UPS.

Cependant, un grave accident survenu en Arizona en 2019 impliquant un ESS utilisé dans des applications de services publics a entraîné des blessures graves chez plusieurs premiers intervenants et a attiré l'attention de diverses parties prenantes, notamment des régulateurs et des agences d'assurance. Pour garantir que ce domaine en pleine croissance ne soit pas entravé par des incidents de sécurité évitables, des spécifications et des normes appropriées doivent être élaborées pour les ESS. Pour encourager le développement de spécifications et de normes de sécurité appropriées pour les ESS, le Département américain de l'énergie (DOE) a lancé le premier forum annuel sur la sécurité et la fiabilité des ESS en 2015.

Le premier forum DOE ESS a contribué à un grand nombre de travaux sur les spécifications et les normes ESS. Le plus remarquable est le développement du NEC n° 706 et le développement de la NFPA 855, une norme pour les installations de systèmes de stockage d'énergie stationnaires, qui affecte directement la norme pour les systèmes de batteries stationnaires dans ICC IFC et NFPA 1. Aujourd'hui, NEC et NFPA 855 ont a également été mis à jour pour les versions 2023.

État actuel des normes ESS et UPS

L’objectif de toutes les activités d’élaboration de règles et de normes est d’aborder de manière adéquate la sécurité de ces systèmes. Malheureusement, les normes actuelles ont créé une certaine confusion dans l'industrie.

1.NFPA 855. Le document clé affectant l'installation du BESS et de l'UPS est la version 2020 de la NFPA 855, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems. La NFPA 855 définit le stockage d'énergie comme « un assemblage d'un ou plusieurs dispositifs capables de stocker de l'énergie pour l'approvisionnement futur des charges électriques locales, des réseaux publics ou du support du réseau ». Cette définition inclut les applications pour UPS et ESS. De plus, la norme NFPA 855 et les codes de prévention des incendies exigent que les ESS soient évalués et certifiés selon la norme UL 9540. Cependant, la norme UL 1778 a toujours été la norme traditionnelle de sécurité des produits pour les onduleurs. Le système a été évalué de manière indépendante pour vérifier sa conformité aux exigences de sécurité applicables et permet une installation sûre. Par conséquent, l’exigence de la norme UL 9540 a semé une certaine confusion dans l’industrie.

2.UL9540A. UL 9540A nécessite de commencer à partir du niveau de la batterie et de tester étape par étape jusqu'à passer le niveau d'installation. Ces exigences font que les systèmes UPS sont soumis à des normes de commercialisation qui n'étaient pas requises dans le passé.

3.UL 1973. UL 1973 est la norme de sécurité des systèmes de batteries pour les ESS et les UPS. Cependant, la version UL 1973-2018 n'inclut pas de dispositions de test pour les batteries au plomb, ce qui constitue également un défi pour les systèmes UPS utilisant une technologie de batterie traditionnelle telle que les batteries au plomb.

Résumé

Actuellement, le NEC (National Electrical Code) et la NFPA 855 clarifient ces définitions.

• Par exemple, la version 2023 de la NFPA 855 précise que certaines batteries au plomb et au nickel-cadmium (600 V ou moins) sont répertoriées dans la norme UL 1973.
• De plus, les systèmes de batteries au plomb certifiés et marqués selon UL 1778 n'ont pas besoin d'être certifiés selon UL 9540 lorsqu'ils sont utilisés comme alimentation de secours.

Afin de résoudre le problème du manque de normes de test pour les batteries au plomb et au nickel-cadmium dans la norme UL 1973, l'Annexe H (Évaluer les alternatives aux batteries au plomb ou au nickel-cadmium régulées par valve ou ventilées) a été spécifiquement ajoutée à la troisième édition de l'UL 1973 publiée en février 2022.

Ces changements représentent une évolution positive afin de différencier les exigences d'installation sûre des UPS et des ESS. D'autres travaux comprennent la mise à jour de l'article 480 du NEC afin de mieux répondre aux exigences d'installation pour les technologies autres que le plomb-acide et le nickel-cadmium. De plus, la norme NFPA 855 doit être encore mise à jour pour apporter plus de clarté sur les réglementations en matière de protection incendie, notamment en ce qui concerne les différentes technologies utilisées dans les applications stationnaires, qu'il s'agisse d'UPS ou d'ESS.

L'auteur espère que les changements continus amélioreront la sécurité de l'industrie, que l'on utilise un UPS traditionnel ou un ESS. Alors que nous voyons les solutions de stockage d'énergie proliférer de manière significative et rapide, il est essentiel de s'attaquer à la sécurité intrinsèque des produits pour libérer l'innovation en matière de sécurité et répondre aux besoins de la société.