C-rate · Glossaire

Le C-rate décrit la vitesse à laquelle une batterie est chargée ou déchargée par rapport à sa capacité. À 1C, une batterie serait en théorie entièrement chargée ou déchargée en une heure. Cela ne vaut que si le courant reste constant pendant toute la durée et si toute la capacité nominale est utilisable. 0,5C correspond alors à environ deux heures, 2C à environ une demi-heure. De façon générale, la règle empirique est : durée théorique en heures égale à 1 divisé par le C-rate.

Définition et méthode de calcul

Le terme vient de la technique des batteries. À proprement parler, le C-rate est le courant de charge ou de décharge en ampères divisé par la capacité nominale de la batterie en ampères-heures. Une cellule de 100 Ah est chargée ou déchargée à 100 A à 1C, à 50 A à 0,5C et à 200 A à 2C. Formellement, cette grandeur a pour unité 1 par heure. Dans la pratique, on écrit toutefois la lettre C, par exemple 0,5C ou C/2.

Les stockages d'électricité stationnaires sont en revanche le plus souvent décrits par leur puissance en mégawatts et leur énergie en mégawattheures. Pour le rapport entre la puissance de charge ou de décharge et le contenu énergétique, la littérature spécialisée utilise un nom propre : P-rate. À 1P, une batterie délivre une puissance dont la valeur numérique correspond à son contenu énergétique en wattheures. Dans la profession, ce rapport de puissance est néanmoins souvent simplement appelé C-rate. Un stockage par batterie de 1 MW et 2 MWh a, en ce sens, 0,5C ; un stockage de 1 MW et 1 MWh se situe à 1C. Les deux indicateurs ne sont égaux qu'approximativement. La tension des cellules varie en effet avec l'état de charge et sous charge, de sorte que, à puissance égale, des courants différents circulent.

Ce rapport simple rend l'indicateur utile pour le système électrique. Il relie deux grandeurs que les débats sur les stockages par batterie traitent souvent séparément ou de manière imprécise : la puissance de stockage et la capacité de stockage. La puissance indique combien d'électricité un stockage peut absorber ou délivrer à un instant donné. La capacité indique combien d'énergie il peut stocker. Le C-rate en fait une grandeur temporelle et est l'inverse de la durée de stockage à pleine puissance. Un stockage de quatre heures a donc théoriquement 0,25C.

Un stockage à C-rate élevé peut fournir rapidement beaucoup de puissance par rapport à sa taille. À capacité donnée, il est toutefois aussi plus vite vide ou plein. Cela convient à des tâches telles que le réglage de la fréquence, le soutien de court terme du réseau ou l'écrêtement des pointes de charge. Un stockage à faible C-rate restitue son énergie plus lentement. Il convient plutôt à déplacer de l'énergie sur une durée plus longue, par exemple de l'électricité solaire de midi vers la soirée. Un C-rate plus élevé n'est donc pas automatiquement meilleur : il décrit un dimensionnement, et son adéquation dépend de la tâche.

Distinction par rapport à la puissance, à la capacité, au rendement et à la durée de vie

Le C-rate n'est pas la même chose que la puissance. Deux batteries peuvent fonctionner toutes deux à 1C et avoir pourtant des puissances très différentes. Une petite batterie de 10 kWh délivre environ 10 kW à 1C, un grand stockage de 100 MWh environ 100 MW à 1C. Le C-rate compare donc la sollicitation par rapport à la taille de la batterie, et non la puissance absolue du système.

Il n'est pas non plus la même chose que la capacité. Une batterie de grande capacité peut avoir un faible C-rate si l'électronique de puissance ou la chimie des cellules ne permettent qu'une charge et une décharge lentes. Inversement, une batterie plus petite, conçue pour de forts courants, peut délivrer beaucoup de puissance. Celui qui parle seulement de grands stockages, sans distinguer puissance, capacité et C-rate, laisse ouvert si un stockage peut contribuer à l'approvisionnement ou à la stabilisation pendant des secondes, des minutes ou des heures.

Il faut aussi distinguer le C-rate du rendement. Le rendement indique quelle part de l'énergie stockée est de nouveau disponible après les pertes de charge et de décharge. Dans la pratique, les deux grandeurs sont toutefois liées. Des études sur les cellules lithium-ion montrent que le rendement, à la charge comme à la décharge, dépend du courant ou de la puissance. L'énergie effectivement prélevable dépend elle aussi des conditions de fonctionnement et de la température. Les courants élevés produisent davantage de chaleur dans la cellule. Un C-rate élevé peut donc réduire le rendement et solliciter davantage le refroidissement. Il ne remplace toutefois pas une indication de rendement propre.

La durée de vie ne se lit pas non plus directement à partir du C-rate. Des C-rates élevés peuvent solliciter davantage les cellules, surtout en cas de températures défavorables, d'état de charge élevé ou de chimie de cellule inadaptée. La vitesse de vieillissement d'une batterie dépend toutefois aussi du nombre de cycles, de la profondeur de décharge, de la plage d'état de charge utilisée, de la gestion de la température et du système de gestion de batterie. Une indication telle que « compatible 2C » ne dit donc pas combien de temps une batterie peut être utilisée de façon rentable en exploitation réelle.

Pourquoi le C-rate est important dans le système électrique

Plus la part d'électricité issue de sources renouvelables augmente, plus il est nécessaire de déplacer l'énergie dans le temps et de réguler rapidement. L'électricité éolienne et solaire dépend de la météo et de l'heure du jour, tandis que la consommation, les congestions du réseau et les prix de marché suivent d'autres schémas. Les stockages par batterie peuvent atténuer ces écarts. Leur efficacité dépend toutefois de la durée pour laquelle ils sont dimensionnés, et c'est précisément ce que rend visible le C-rate.

Un stockage à 1C convient à des tâches allant de quelques secondes à environ une heure : il peut compenser de brèves fluctuations, fournir de la puissance de réglage ou exploiter les pics de prix sur le marché de gros. Un stockage de quatre heures à 0,25C peut déplacer de l'énergie sur une soirée. Une Dunkelflaute (période sombre et sans vent) dure en revanche souvent plusieurs jours. Des stockages aux durées usuelles d'une à quelques heures ne peuvent la combler que dans une faible mesure, quel que soit le C-rate. Il faut pour cela des stockages au contenu énergétique bien plus élevé ou d'autres solutions.

La préqualification allemande pour la réserve de réglage montre comment les règles de marché façonnent le dimensionnement. Selon les conditions des gestionnaires de réseau de transport, un stockage d'énergie pour la réglage primaire (FCR) et pour la réserve secondaire ou minute (FRR) doit disposer d'au moins assez d'énergie pour fonctionner pendant 15 minutes à sa puissance préqualifiée. En 2019, la Bundesnetzagentur a rejeté une demande des gestionnaires de réseau de transport visant à prescrire 30 minutes pour les stockages dans la FCR. La base était le principe européen de 15 minutes. Sur le plan purement arithmétique, cette limite inférieure correspond à un rapport pouvant aller jusqu'à 4 MW de puissance par MWh. Comme l'état de charge doit être maintenu dans une bande admissible en cours de fonctionnement, les stockages réels sont toutefois en règle générale dimensionnés avec davantage de contenu énergétique. La capacité minimale nécessaire dans un cas particulier résulte des conditions de préqualification en vigueur.

Le C-rate concerne aussi la rentabilité. Les coûts d'un système de batterie ne résident pas seulement dans les cellules, mais aussi dans les onduleurs, transformateurs, le refroidissement, la protection incendie, la commande, le raccordement au réseau et la construction. On évalue plutôt les composants de puissance en euros par kilowatt, les composants d'énergie plutôt en euros par kilowattheure. Un C-rate élevé exige, par rapport à la capacité, davantage d'électronique de puissance et une plus grande capacité de charge en courant. Un C-rate faible exige, à puissance égale, davantage de capacité. La combinaison qui vaut la peine dépend du modèle de revenus : puissance de réglage, négoce intrajournalier, optimisation de l'autoconsommation, services au réseau et évitement des pointes de charge imposent chacun d'autres exigences.

Au point de raccordement au réseau, ce qui compte avant tout pour le gestionnaire de réseau est la puissance maximale de charge et d'injection en valeurs absolues. Le C-rate n'y compte qu'indirectement. Sur les marchés de l'énergie de réglage, il importe en outre de savoir avec quelle rapidité et quelle fiabilité la puissance est disponible et pendant combien de temps elle doit être maintenue. Le C-rate fournit la base technique. Il faut néanmoins vérifier spécifiquement si un stockage satisfait une exigence donnée de marché ou de réseau.

Malentendus typiques

Le C-rate comme temps de charge exact : « 1C signifie une heure » n'est qu'un repère théorique. Les batteries réelles ne sont pas chargées au même courant sur toute la plage de charge. Peu avant l'état de pleine charge, la gestion de batterie réduit généralement le courant afin de respecter la tension des cellules, la température et la sécurité. Une charge de zéro à cent pour cent dure donc souvent plus longtemps que ne le suggère le C-rate. De nombreuses applications n'utilisent d'ailleurs qu'une partie de la plage de charge, par exemple de 10 à 90 pour cent, afin de freiner le vieillissement.
Grandeur de référence peu claire : les fabricants peuvent rapporter le C-rate à la capacité nominale, à la capacité utilisable, à la capacité des cellules ou à celle du système. Pour les stockages stationnaires s'ajoute la question de savoir si l'on calcule du côté courant continu de la batterie ou du côté courant alternatif au point de raccordement au réseau. Entre les deux se trouvent des onduleurs et d'autres composants avec leurs propres limites et pertes. Il importe aussi de savoir si une valeur est indiquée sur la base du courant (C-rate) ou de la puissance (P-rate).
Un C-rate élevé comme signe de supériorité technique : pour les véhicules électriques, la charge rapide ou l'énergie de réglage, des C-rates élevés peuvent être précieux. Pour un stockage domestique qui déplace l'électricité photovoltaïque vers la soirée, un C-rate modéré suffit souvent. Pour le stockage saisonnier, les batteries seraient peu adaptées, quel que soit leur C-rate, si la capacité nécessaire est trop grande ou trop coûteuse. Le C-rate seul ne dit donc pas quelle technique de stockage convient.

Chimie des cellules, exploitation et limites

Le C-rate qu'une batterie supporte durablement dépend fortement de la chimie des cellules et de leur construction. Les cellules lithium-fer-phosphate, les cellules nickel-manganèse-cobalt, les cellules sodium-ion et d'autres types de batteries diffèrent par la capacité de charge en courant, le comportement en température, la densité énergétique, la sécurité et le vieillissement. S'y ajoutent la structure des électrodes, le format des cellules, le refroidissement et la gestion de batterie, qui contribuent à déterminer les courants de charge et de décharge admissibles. Les cellules pour grands stockages d'électricité sont souvent optimisées pour l'énergie et conçues pour un fonctionnement continu de l'ordre d'environ 0,25C à 1C. Les cellules optimisées pour la puissance en supportent nettement plus.

À des C-rates élevés, les exigences d'évacuation de la chaleur et de surveillance augmentent, car les pertes électriques se transforment en chaleur. Si celle-ci n'est pas évacuée de façon fiable, la performance diminue, la batterie vieillit plus vite ou des systèmes de protection réduisent la puissance. Dans les fiches techniques, le C-rate est donc le plus souvent assorti de conditions : plage de température, état de charge, durée maximale, répétitions admissibles et nombre de cycles garanti. Un C-rate de pointe autorisé seulement brièvement est autre chose que le C-rate utilisable durablement en exploitation quotidienne.

Pour la planification de stockages d'électricité, le C-rate est ainsi une valeur caractéristique utile, mais incomplète. Il doit être lu avec la puissance, la capacité, le rendement, la durée de vie, la plage d'état de charge admissible, la puissance de raccordement au réseau et la stratégie d'exploitation. Dans le système électrique, il montre surtout quel rôle temporel joue un stockage par batterie : puissance rapide, déplacement sur plusieurs heures ou quelque chose entre les deux. Utilisé correctement, il évite que les stockages soient traités comme une solution uniforme, alors que leur effet sur le réseau et le marché dépend du dimensionnement concret.

Sources

Determination of Lithium-Ion Battery Capacity for Practical Applications — MDPI, Batteries 9(9), 459 (Bašić, Bobanac, Pandžić, Universität Zagreb); 2023-09-11. Abschnitt 1.1 Battery Parameters; Abstract
Battery charger — Wikipedia; unbekannt. Abschnitt zu C-Rate
Präqualifikationsverfahren für Regelreserveanbieter (FCR, aFRR, mFRR) — Deutsche Übertragungsnetzbetreiber (50Hertz, Amprion, TenneT, TransnetBW), regelleistung.net; 2024-07-05. Abschnitt Untergrenze des Arbeitsvermögens relativ zur PQ-Leistung
Beschluss BK6-17-234 zur Präqualifikation von Speichern für die FCR — Bundesnetzagentur (bereitgestellt durch Clearingstelle EEG|KWKG); 2019-05-02 (laut Dateiname). Beschluss BK6-17-234, Gründe

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