En plaisantant, dans le domaine du contrôle de la température du stockage d'énergie, la première génération était le refroidissement par air, la deuxième génération, actuellement dominante, était le refroidissement liquide par plaque froide, et le refroidissement liquide par immersion s'efforçait toujours de devenir la troisième génération. Soudain, le refroidissement direct est apparu et est entré sur le marché de manière très visible, en compétition pour la position du successeur de la troisième génération.
L'industrie chinoise du stockage d'énergie est entrée dans une phase de développement rapide, et l'innovation technologique continue ainsi que la synchronisation de multiples voies technologiques sont l'une des manifestations importantes de cette période.
En particulier, à mesure que les cellules de stockage d'énergie évoluent vers une plus grande capacité, l'intégration des systèmes se développe vers une plus grande échelle et une plus grande densité énergétique, et les scénarios d'application deviennent plus complexes et diversifiés, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de durée de vie, de sécurité, de coût et d'autres facteurs des systèmes de stockage d'énergie. De l'intégration des systèmes aux composants de base, y compris les cellules, les 3S, le contrôle de la température et la protection contre les incendies, l'itération technologique se poursuit.
En tant que maillon essentiel du système de stockage d'énergie, le système de contrôle de la température joue un rôle essentiel dans la sécurité, l'efficacité et la durée de vie du stockage d'énergie. En particulier avec la demande croissante d'applications telles que le stockage d'énergie à long terme et le stockage d'énergie à haut débit, les indicateurs de performance globaux des composants de contrôle de la température ont été relevés.
De la première génération de refroidissement par air au refroidissement liquide à plaque froide actuel, en passant par le refroidissement liquide par immersion qui suscite une attention généralisée, la technologie de contrôle de la température a été développée à plusieurs niveaux ces dernières années pour optimiser en permanence des problèmes tels que la sensibilité de la batterie à la chaleur et la répartition inégale de la température.
Au début du mois, une autre grande nouvelle est arrivée : le CRRC Zhuzhou Institute, en collaboration avec 14 entreprises de la chaîne industrielle, dont Invic, Hisense Network Energy, Tongfei Co., Ltd. et Midea, a lancé un système d'avenir de 6,9 MWh, dans lequel le lien de contrôle de température utilisait pour la première fois une unité de refroidissement direct de stockage d'énergie de 12 kW. Dès que cette nouvelle est sortie, elle a attiré l'attention de l'industrie.
La technologie de refroidissement direct, initialement utilisée dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle, a fait son entrée dans le secteur du stockage d'énergie en grande pompe. Des voix s'élèvent pour la soutenir, mais aussi pour s'y opposer.
Le refroidissement direct vise à contrôler la température de stockage de l'énergie 3.0?
Au cours des deux dernières années, la capacité installée mondiale des énergies renouvelables a connu une croissance rapide. Selon le rapport annuel sur le marché « Énergies renouvelables 2023 » publié par l'Agence internationale de l'énergie, en 2023, la capacité installée mondiale des énergies renouvelables augmentera de 50 % par rapport à 2022, et le taux de croissance de la capacité installée a dépassé celui des 30 dernières années. Dans ce contexte, le développement de l'industrie du stockage d'énergie a inauguré un espace de marché de plus en plus large.
Dans le même temps, les entreprises chinoises de stockage d'énergie sont prises dans un tourbillon de circulation interne. Pour en sortir, la technologie est le principal facteur de compétitivité, tandis que la sécurité élevée, le faible coût et l'efficacité élevée sont les seuils les plus importants pour la mise à niveau de la technologie de stockage d'énergie.
En particulier avec la tendance des cellules de batterie à grande échelle et l'augmentation de la densité de puissance intégrée des systèmes de stockage d'énergie, l'efficacité des batteries et le risque d'emballement thermique sont devenus la priorité de l'industrie. Parmi eux, le système de contrôle de la température joue un rôle important.
En examinant de près l'avancement de la technologie de contrôle de la température de stockage d'énergie, le système de refroidissement par air de première génération était simple, à faible coût de fabrication et facile à installer ; le refroidissement liquide à plaque froide de deuxième génération a commencé à utiliser du liquide comme moyen d'échange de chaleur, avec une grande capacité de transport de chaleur et une efficacité d'échange de chaleur élevée ; et le refroidissement liquide par immersion, qui en est encore à ses premiers stades de développement, présente les avantages d'empêcher efficacement l'emballement thermique et l'uniformité extrême de la température, mais est piégé par le problème du coût élevé et n'a pas encore été réglé.
À une époque où l'industrie se développe rapidement et où la technologie évolue rapidement, le refroidissement direct a soudainement pris fin. Il est rapporté que l'unité de refroidissement direct de stockage d'énergie de 12 kW mentionnée ci-dessus adopte la technologie de refroidissement direct par réfrigérant, ce qui réduit les pertes par échange de chaleur, rend le système plus économe en énergie et réduit les coûts ; en même temps, elle adopte une conception qui ne nécessite pas de circulation d'eau et le risque de fuite est « nul ». L'unité est plus petite et a moins de bruit, et peut fournir une plus grande capacité de refroidissement dans un espace limité, ce qui est conforme à la tendance de développement de l'augmentation de la densité énergétique des systèmes de stockage d'énergie et de la diminution de l'espace disponible.
Certaines entreprises de la chaîne d'approvisionnement ont déclaré que la technologie de contrôle de la température de refroidissement direct offrirait davantage d'options et d'orientations pour le développement de l'industrie du stockage d'énergie et devrait devenir la principale tendance de développement dans le domaine de la gestion thermique du stockage d'énergie à l'avenir.
Certaines entreprises ont clairement déclaré qu'étant donné que la chaleur générée par les cellules de la batterie n'est pas suffisamment concentrée et que la chaleur générée par unité de surface n'est pas très importante, il n'est pas nécessaire de recourir à une technologie de réfrigération par transfert de chaleur à haute intensité, comme le refroidissement direct, pour résoudre le problème.
Qu'est-ce que le refroidissement direct exactement ? Selon les informations publiques, le refroidissement direct est une conception de refroidissement minimaliste qui ne nécessite pas de circulation d'eau, permettant au réfrigérant de refroidir directement la cellule de la batterie via la plaque froide en fluor et d'éliminer rapidement la chaleur générée par échange de chaleur.
Actuellement, les technologies de contrôle de température les plus courantes sont principalement le refroidissement par air et le refroidissement par liquide à plaque froide, tandis que le refroidissement par liquide par immersion en est encore à ses débuts. Parmi les quatre technologies de contrôle de température présentées dans le tableau ci-dessus, à l'exception du refroidissement par air, qui utilise l'air comme moyen de refroidissement, le refroidissement par liquide à plaque froide, le refroidissement par liquide par immersion et le refroidissement direct utilisent tous du liquide.
Parmi les trois technologies de refroidissement liquide, seul le refroidissement par immersion utilise le contact direct en immergeant les cellules de la batterie directement dans le liquide d'immersion sans aucun lien de transfert de chaleur entre elles. Le refroidissement liquide par plaque froide et le refroidissement direct utilisent tous deux un contact indirect.
Du point de vue structurel, le refroidissement direct et le refroidissement liquide par plaque froide sont assez similaires. Selon les experts du secteur, la technologie traditionnelle de refroidissement liquide par plaque froide dissipe la chaleur vers le bas de la batterie en introduisant de l'eau froide dans la plaque de refroidissement liquide, tandis que le refroidissement direct remplace l'eau du refroidissement liquide par plaque froide par un réfrigérant, qui est ensuite utilisé pour refroidir la cellule de la batterie via une plaque froide au fluor.
Cependant, bien que les formes soient similaires, les principes d’échange de chaleur de ces deux technologies ne sont pas exactement les mêmes.
Dans le refroidissement direct, on utilise d'une part l'échange de chaleur par différence de température. Étant donné que la température du réfrigérant est relativement basse et que le réfrigérant lui-même a une capacité thermique spécifique bien supérieure à celle de l'eau, on peut obtenir une efficacité d'échange de chaleur plus élevée. D'autre part, le refroidissement direct utilise également le principe d'absorption de chaleur par évaporation, absorbant la chaleur environnante en transformant le réfrigérant de liquide en gaz.
À cet égard, certains initiés du secteur ont expliqué que « le couplage élevé du système de refroidissement de la batterie avec le système de climatisation équivaut à placer l'évaporateur du système de climatisation directement dans le bloc-batterie ».
On peut constater que la quantité de chaleur pouvant être évacuée par refroidissement direct dans cette méthode d'échange de chaleur double est bien supérieure à celle du refroidissement liquide à plaque froide qui repose simplement sur un échange de chaleur par différence de température. L'excellente capacité d'échange de chaleur et l'efficacité globale de la machine font que le refroidissement direct semble avoir une place de marché considérable dans le domaine du stockage d'énergie.
En fait, l'idée d'appliquer la technologie de contrôle de température par refroidissement direct au domaine du stockage d'énergie est proposée depuis longtemps, mais les produits et applications connexes sont relativement rares, même dans les nouvelles applications de recherche. La raison en est que la technologie de refroidissement direct présente encore de nombreux problèmes qui n'ont pas été résolus.
Dans la promotion des produits de contrôle de température à refroidissement direct, la sécurité est souvent placée au premier plan. Il est rapporté qu'en cas de fuite, le réfrigérant s'évapore automatiquement en gaz, ce qui réduit le risque de fuite à zéro et permet d'éviter efficacement les courts-circuits électriques et l'emballement thermique causés par la fuite des fluides de refroidissement conventionnels.
Il convient de noter que le système de refroidissement direct est soumis à une pression plus élevée. D'une part, la pression du fluor est bien supérieure à celle de l'eau. La pression de l'eau n'est que de quelques kilogrammes, mais la pression du fluor est supérieure de plusieurs dizaines de kilogrammes ; d'autre part, la pression d'évaporation du réfrigérant atteint généralement 3-4 atmosphères, tandis que la pression de travail de la plaque de refroidissement liquide est généralement de l'ordre de 1,3 atmosphère.
Par conséquent, le refroidissement direct augmente considérablement les exigences de résistance à la pression de la plaque froide, des joints et des conduites. Par exemple, les tuyaux en nylon conventionnels ne peuvent pas du tout supporter une telle pression. Le niveau de résistance à la pression de la plaque de refroidissement direct doit être au moins 4 fois supérieur à la pression d'évaporation.
De plus, le refroidissement direct a des exigences beaucoup plus élevées en matière d’étanchéité de la plaque froide que le refroidissement liquide traditionnel.
Tous ces facteurs rendront très difficile pour les entreprises de la chaîne d'approvisionnement de faire évoluer leur technologie, et le coût des pièces augmentera également en conséquence. En termes de contrôle du système, le refroidissement direct est également plus compliqué car il est nécessaire de prendre en compte la distribution du flux entre les différents PACKS, le contrôle de la température d'évaporation et la conception du canal d'écoulement de la plaque froide, etc.
En prenant comme exemple la conception du sens d'écoulement du fluide frigorigène dans la plaque de refroidissement direct, le bloc-batterie doit non seulement garantir que les cellules de la batterie fonctionnent à une température raisonnable, mais également contrôler la différence de température entre les différents modules. En général, la différence de température des cellules de la batterie ne doit pas dépasser 5 degrés. Par conséquent, il est particulièrement important de garantir la température uniforme de la plaque de refroidissement de la batterie elle-même. Par conséquent, l'optimisation du sens d'écoulement du fluide frigorigène dans la plaque de refroidissement direct et l'amélioration de l'uniformité de température de la batterie de stockage d'énergie sont les difficultés que le système de refroidissement direct doit surmonter.
On peut constater qu’il existe encore de nombreux problèmes pour que la technologie de refroidissement direct soit véritablement appliquée dans le domaine du stockage d’énergie, et il faudra beaucoup de temps pour parvenir à une application à grande échelle.