Modules DC-UPS – avec batterie ou condensateur ?
Une alimentation sauvegardée s’avère primordiale dans certains secteurs. En effet des perturbations au niveau des processus de fabrication provoquées par des coupures de courant peuvent générer des coûts élevés. De plus, un risque de perte de données existe, ainsi que de dommages aux systèmes. Les modules DC-UPS évitent ce risque en tamponnant la durée de pontage en cas de défauts de puissance ou fluctuations de charge, à l’aide de batteries ou de condensateurs électrolitiques à double couche. Cependant, de nombreux facteurs déterminent le type d’UPS appropriés aux différentes applications.
PULS offre actuellement deux options pour assurer l’alimentation de la charge en cas d’urgence : les condensateurs électrolitiques à double couche et les batteries au plomb. Tous deux peuvent servir à stocker de l’énergie dans des système DC-UPS pour des installations industrielles.
Les condensateurs électrolitiques à double couche, également connus par leurs noms commerciaux : Ultracap, Supercap ou Greencap, sont disponibles sur le marché depuis plus de 25 ans et sont devenus des composants fiables et éprouvés. Relativement chers au début, ils sont adaptés pour stocker de l’énergie pour les unités DC-UPS et peuvent être utilisés pour des applications telles que la conservation de l’énergie de freinage ou la fourniture de brefs courants de crête.
Les batteries au plomb ont un concurrent de taille sous la forme des condensateurs électrolitiques à double couche. Cependant les deux types d’UPS possèdent leurs avantages en fonction de l’application. Ils sont développés dans la comparaison suivante :
Si l’on compare les densités d’énergie, les batteries sont toujours gagnantes
Comparing the hold-up times of capacitor-supported and battery-supported systems is not useful. Batteries always win when comparing energy densities. However, it is equally important to consider the actual hold-up time required: While UPS modules with capacitor storage buffer in the range of seconds (see graph 1), UPS modules with batteries guarantee an uninterruptible power supply of up to several hours (see graph 2).Il n’est pas utile de comparer les temps de maintien des systèmes avec condensateur et des systèmes avec batterie. Les batteries remportent toujours le match, du point de vue des densités énergétiques. Mais, il importe également de prendre en compte le temps de maintien requis : alors que les modules UPS avec condensateur assurent un stockage de tampon en secondes (voir graphique 1), les modules UPS avec batteries garantissent une alimentation sauvegardée jusqu’à plusieurs heures (voir graphique 2).
Bien que leur temps de maintien actuel requis se situe entre 15 et 150 secondes, les condensateurs électrolitiques à double couche peuvent rivaliser en termes de prix.
Graphique 1 : temps de maintien en fonction du courant tampon d’un condensateur
Graphique 2 : temps de maintien en fonction du courant tampon d’une batterie
Différences fondamentales en matière de durée de vie et de résistance aux températures
Durée de vie
Dans des conditions idéales et à une température ambiante de 20 °C, les batteries au plomb ont souvent une durée de vie longue, mais limitée. Selon Eurobat, la durée de vie d’une batterie au plomb s’élève aux alentours de 6 à 9 ans. Les facteurs pouvant affecter la durée de vie d’une batterie au plomb sont peu nombreux, mais importants. Il faut également tenir compte du vieillissement prématuré intervenant durant le stockage. La température, cependant, impacte le plus fortement la réduction de la durée de vie des batteries au plomb. En effet, une augmentation de 10 °C par exemple peut diminuer de moitié la valeur de la durée de vie spécifiée (voir graphique 3).
Les condensateurs sont intégrés de manière permanente à l’appareil et ne peuvent pas être remplacés. Si la conception est correcte, ils ont la même durée de vie que l’alimentation électrique elle-même. La durée de vie habituelle d’une alimentation électrique est supérieure à 10 ans dans le cadre d’une application typique. Mais, les condensateurs électrolitiques à double couche n’ayant généralement pas à subir d’entretien, leur durée de stockage est pratiquement illimitée et n’ont pas besoin d’être rechargés régulièrement. En plus, faire fonctionner un système plus tardivement que ce qui a été anticipé ou ne pas l’utiliser pendant une longue période permet d’éviter les surprises.
De la même manière que les batteries, la température influence également la durée de vie des condensateurs. Une augmentation de 10 °C la diminue de moitié (voir graphique 4), car plus la température grimpe, plus les condensateurs s’assèchent.
Température
Les batteries au plomb sont sensibles aux températures trop basses et trop élevées. Durant le chargement, l’hydrogène peut geler à des températures inférieures à -10 °C, ce qui peut endommager à la batterie. Il est possible de recourir aux batteries au plomb pur pour de telles applications froides. Par ailleurs, l’hydrogène de ces batteries au plomb fuit à des températures supérieures à +45 °C, il est donc recommandé de les monter à l’extérieur de l’armoire de commande.
Les condensateurs électrolitiques à double couche résistent à des températures aussi basses que -40 °C. Ils sont donc les composants parfaits pour des applications extérieures, mobiles ou de type solaire et éolien. Les condensateurs électrolitiques à double couche fournissent des performances complètes même jusqu’à +60 °C, ce qui les rend adaptés à une utilisation à l’intérieur d’une armoire de commande fermée et non ventilée.Contrairement aux batteries au plomb, les condensateurs n’émettent pas d’hydrogène et ne nécessitent pas d’aérer l’armoire de commande, comme l’exige la norme EN 50272-2 avec des batteries au plomb.
Graphique 3 : durée de vie espérée d’une batterie en fonction de la température
Graphique 4 : durée de vie espérée des condensateurs en fonction de la température
Comment calculer le contenu d’énergie des batteries et des condensateurs ?
La capacité nominale d’une batterie est indiquée en Ah (ampères-heures). Avec la tension, elle renseigne sur le contenu d’énergie approximatif :
Énergie (Wh) = Tension (V) * Capacité (Ah)
Attention avec les différentes unités de mesure, kWs ou kJ :
La tension du condensateur diminue constamment durant la décharge. Cela ne fait aucun sens d’indiquer l’énergie en Ah (ampères-heures), comme c’est le cas pour les batteries, l’énergie est donc indiquée en Wh (wattheures) ou en kWs (kilowatt secondes). Souvent, on trouve l’indication kJ (kilojoule). 1 kJ correspond à exactement 1 kWs. Une valeur d’1 kWs implique qu’1 kW d’énergie peut être extrait pendant une seconde ou 100 W correspondant à 10 secondes. L’énergie dans un condensateur est calculée à l’aide de la formule suivante :
Énergie (Ws) = ½ CU2
Elle indique l’énergie lorsque le condensateur est complètement déchargé à zéro volt. Cependant, en pratique, les condensateurs ne peuvent pas fonctionner à zéro volt, il est donc impossible d’utiliser l’énergie en totalité. Il convient donc d’être vigilant sur ce point. Les modules tampons sont classés selon leur énergie nominale, mais pas selon leur énergie utilisable. Si l’on souhaite déterminer le temps de maintien, il convient de toujours utiliser les valeurs de la fiche technique ou les diagrammes, et non la simple approche ci-dessus.
Quel est le système UPS approprié à chaque application ?
On ne peut faire de réponse généralisée à la question de trouver le système UPS adapté à chaque application. Chaque application étant spécifique, elles requièrent donc une analyse spécifique. Il s’agit de la seule manière de garantir une alimentation sauvegardée. Cependant, un certain nombre de questions permettent de trouver l’application de sauvegarde idéale pour votre système :
- Quelle est la tension de sortie requise ?
- Quelle est la puissance à mettre à disposition comme sauvegarde ?
- Combien de temps de sauvegarde est nécessaire ?
- Et enfin, existe-il des charges dans cette application qui ne requièrent pas de sauvegarde et si c’est le cas, combien ?
Ces informations peuvent servir à préparer des recommandations concernant la puissance de sortie nécessaire de l’alimentation électrique, ainsi que la méthode de sauvegarde et les appareils supplémentaires éventuels.
Les modules UPS avec batteries conviennent aux applications nécessitant un temps de tampon long en cas d’urgence:
Les modules UPS avec les batteries UB PULS sont souvent utilisés dans des systèmes qui doivent combler un long intervalle jusqu’à l’arrivée d’un technicien de service, comme par exemple les feux de signalisation sur des pylônes radio ou des turbines éoliennes.
Les modules UPS avec condensateur fournissent un temps de tampon court:
Dans des régions caractérisées par des réseaux de mauvaise qualité, les condensateurs UF PULS peuvent combler les pannes des demi-ondes individuelles. Mais, ils peuvent aussi être utilisés pour alimenter une application fonctionnant habituellement à 3 A, mais aussi parfois à 12 A, pendant de courtes périodes
En cas défaut de puissance, les condensateurs UC PULS garantissent l’arrêt d’un système de manière sécurisée, avec sauvegarde des données. Par ailleurs, les bras ou les axes des machines peuvent être déplacés en position de sécurité.
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