Tout savoir sur le fonctionnement et les différents types de batteries

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Le dimensionnement du parc de batteries est primordial dans la conception et la réalisation d’un système d'alimentation par une ou plusieurs énergies renouvelables. De nombreux types de batteries avec un très large choix de capacités différentes sont disponibles sur le marché.

Il est nécessaire, pour bien choisir ses batteries, de prendre en considération de nombreux facteurs et surtout de mener une analyse préalable.

Les batteries spécifiques utilisées dans des systèmes d’alimentation par énergie renouvelable sont conçues pour résister à des cycles nombreux et fréquents de chargement et de déchargement. Ces batteries n’ont en général pas besoin d'être entretenues.

L’utilisation de ce type de batteries est de plus en plus fréquente dans les domaines technologiques tels que les télécommunications, la télémétrie, la télédétection, l'éclairage, etc.

Les industries oeuvrant dans ces domaines deviennent de plus en plus exigeantes envers les constructeurs de batteries. Ces industries ont besoin de cellules de batterie de plus en plus performantes : c'est-à-dire des cellules de batterie capables de conserver leur charge dans des conditions de température de plus en plus large : environnements très chauds et environnements très froids.

Les batteries (appelées parfois solaires), utilisées dans les systèmes d'alimentation électrique par énergie renouvelable, doivent respecter trois paramètres importants :

L’autonomie

L'énergie fournie par un système photovoltaïque, une éolienne ou une micro-turbine hydroélectrique est emmagasinée dans une batterie afin d'alimenter une charge de façon constante sans interruption pendant une période déterminée. L'accumulateur doit pouvoir fournir assez d'énergie pour couvrir les besoins quotidiens et disposer de réserves assez importantes pour assurer une alimentation continue pendant les périodes sans ensoleillement ou sans vent. Cette autonomie du système, indiquée en jours peut être très différente d'un type de configuration à I'autre. Dans les installations pour lesquelles la moindre défaillance peut s’avérer grave ou très préjudiciable (systèmes de télécommunications, service de santé) l'autonomie peut atteindre jusqu'à trente jours, dans l'hémisphère nord.

Stabilisation du voltage

Les batteries préviennent les fluctuations de tensions émanant des sources d'alimentation pouvant être dommageables pour certains appareils.

Forts courants électriques

Le besoin en matière de consommation d’énergie peut varier très fortement dans une installation. Les batteries peuvent être sollicitées de façon très importantes en fonction des besoins. Les courants d’appel peuvent être très importants à certains moments, même si cela n’arrive pas souvent.

Notions de base

Les batteries, ou les cellules de batteries, sont des composantes électrochimiques. Chaque cellule est composée d'électrodes, positive et négative. Les plaques qui composent ces électrodes sont faites de matériaux actifs dissemblables. Ces cellules sont encapsulées dans un bac contenant un électrolyte. Le bac est scellé ou est muni d'un bouchon de remplissage et un évent.

Une réaction chimique intervient lorsque la batterie alimente une charge connectée à ces deux électrodes. Pendant la décharge, il y a oxydation à la plaque négative qui se traduit par une perte d'électrons et réduction à la plaque positive ou gain d'électrons. L'électrolyte en présence dans la batterie facilite le déplacement des charges électrochimiques sous forme d'ions. Le processus inverse se produit quand la batterie se recharge.

Lorsqu'elle n'est pas branchée à une charge ou un chargeur, la tension à circuit ouvert d'une batterie représente son taux de charge. Complètement chargée, cette tension peut-être différente dépendamment du type de batterie - par exemple, chaque cellule d'une batterie acide-plomb a une tension à circuit ouvert Voc de 2,10 VCC, alors qu'une nickel-cadmium a 1.25 VCC par cellule à 25°C.

Le taux de décharge (DOD) et le taux de charge (SOC)

Le DOD est le ratio d'ampère heure de décharge sur la pleine capacité de la batterie. Par exemple, si une batterie de 100 Ah (pleine capacité) voit sa capacité diminuer de 25 Ah, alors son taux de décharge est 25% et son taux de charge (SOC) est 75%.

Cycles

Une période de charge et décharge est appelée cycle. Les performances d'une batterie s'évaluent aussi en nombre de cycles que celle-ci peut fournir à une profondeur de décharge déterminée.

Choix de batteries

Les batteries à cycle prolongé acide-plomb et Nickel-cadmium sont les plus utilisées dans les applications à énergie solaire, dans les systèmes éoliens ou encore dans les systèmes alimentés par micro-turbine hydroélectrique. Parmi les batteries de type acide-plomb, il existe une classification (voir le tableau récapitulatif ci-après). Ces batteries diffèrent par leur construction. L'antimoine est un alliage ajouté au plomb pour qu'il résiste à la corrosion. Une grande quantité d'antimoine, réduit la décharge à vide des cellules et provoque la gazéification qui devrait en principe être évitée dans les systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable.

Les batteries Nickel-cadmium sont 3 à 4 fois plus chères que les batteries acide-plomb et possèdent une capacité plus faible. Par conséquent, ces dernières sont moins utilisées dans les systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable.

Batteries acide-plomb à plaques minces

Ce sont les batteries conventionnelles utilisées dans les systèmes SLI (starting, lighting, ignition) ou démarrage et allumage. Toutefois ces batteries ne sont pas utilisées dans les systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable.

Presque semblables par leur conception, les batteries utilisées dans les voiturettes de golf et certains camions peuvent s'accommoder aux systèmes à décharge profonde. Les batteries utilisées dans les voiturettes de golf sont semblables aux batteries utilisées dans les automobiles, elles ont des plaques de 2,3 mm d'épaisseur, faible quantité d'alliage antimoine, ayant un DOD max. (taux de décharge maximum) de 10 à 20%. Les batteries industrielles ayant 2 VCC par cellule, avec des plaques de 5mm d’épaisseur conviennent aux systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable. Par ailleurs, ces batteries doivent être ventilées de façon adéquate.

Batteries acide-plomb à plaques tubulaires

Les plaques tubulaires sont plus performantes que les plaques minces. Leur décharge à vide est faible. Elles contiennent plus d'électrolyte. L'alliage antimoine-calcium leur procure une résistance supérieure contre la corrosion. Ce type de batterie est utilisé dans les sites de télécommunications où l'entretien des batteries et les températures froides ne constituent pas une préoccupation majeure.

Batteries acide-plomb scellées VR (à valve régulatrice)

Celles-ci sont scellées, donc aucun risque de déversement ou d'évaporation. L'oxygène produit à la plaque positive est recombiné à l'hydrogène émanant de la plaque négative pour former l'eau nécessaire à l'électrolyte. Ces batteries satisfont aux applications à décharge profonde, rapide et répétée.

Batteries AGM (séparateur en mat de verre micro-poreux)

Les batteries AGM ont été développées dans les années 80, pour satisfaire à la demande des batteries sans entretien destinées aux marchés tels que les télécommunications, la télémétrie, la télédétection, etc. Plus le séparateur est comprimé entre les plaques, plus il permet une recombinaison de l'électrolyte (l'oxygène et l'hydrogène se recombinent, produisent l'eau et se mélangent à l'acide sulfurique). Cependant, cette compression entre plaques entraîne une hausse de température lors des échanges électrochimiques.

À des tensions de charge un peu plus élevées, les batteries AGM tendent à réagir à la hausse de température interne en perdant un peu d'eau à travers de petits évents situés dans les cellules et en évacuant l'excès de chaleur à travers les terminaux.

Ce type de batterie peut s'installer dans toutes les positions. Toutefois, il est recommandé de ne pas les installer à la position complètement renversée. Leur point de congélation permet leur utilisation dans les pays nordiques. Récemment, des améliorations ont permis d'obtenir d'excellents résultats avec des batteries scellées à électrolyte gélifié type AGM.

Cliquez ici pour en savoir plus sur les batteries AGM

Batteries à électrolyte gélifié

Tolèrent les températures chaudes en été. Les batteries au gel peuvent être construites soit avec des plaques mince, soit avec des plaques tubulaires ou bien des séparateurs AGM. Aucun risque de déversement ou d'évaporation. Au lieu d'un liquide, il s'agit d'un électrolyte mélangé au silice. Ce type de batterie a un système d'évacuation de chaleur supérieur, et se décharge moins à vide que le type AGM.

Problèmes et solutions

Stratification

La stratification est le mélange non uniforme de l'électrolyte, ce qui réduit le cycle de vie des batteries. Dans les cellules d'une batterie, l'acide a tendance à se concentrer en bas en laissant de l'eau qui a une densité plus faible au dessus, alors il y a des risques de congélation. En plus il y a aussi risque d'oxydation au dessus et risque de corrosion en dessous. Une charge "d'équalization" est nécessaire après des décharges répétées afin d'éviter la stratification. La tension "d'equalization" varie selon le type de batterie ; pour les batteries acide-plomb, elle est environ 14,2 V pour les systèmes 12 V, 28 V pour les systèmes 24 V et 56 V pour les systèmes 48 V. "L'equalization" doit s'effectuer en moyenne une fois par an.

Ventilation

La concentration maximale d'hydrogène recommandée dans les endroits abritant les batteries est de 2%. Tous les types de batteries ont besoin d'être ventilés car les petites émissions de gaz d'hydrogène produites lors des échanges électrochimiques entre les plaques peuvent causer une explosion en présence du feu ou d'une étincelle.

Energiedouce propose un système de ventilation composé d'un ventilateur directement branché à un module solaire (cliquez ici pour accéder à la fiche). Ce système permet de prolonger le cycle de vie de la batterie, ainsi que son autonomie.

Sulfatation

La sulfatation est causée par le dépôt des cristaux de sulphate de plomb sur les plaques. Cette situation se produit lorsqu'une batterie est déchargée très profondément et de façon répétée. Les batteries qui sont partiellement chargées pendant une longue période de temps voient leur taux de charge diminuer. Il s'agit d'un phénomène appelé "perte de mémoire". Néanmoins, une installation initiale adéquate des batteries à pleine charge et un taux de décharge (DOD) répété supérieur à 20% permettent d'éviter la sulfatation. Les cristaux de sulphate de plomb sont partiellement retirés des plaques lorsqu'une charge "d'equalization" contrôlée est effectuée à 2,35 - 2.4 V par cellule. "L'equalization" est recommandée après une longue période répétée de décharge, lorsqu'une cellule d'une batterie a une variation de tension de 0,05 V de plus que les autres cellules, ou lorsque la densité spécifique de la batterie diminue de 10 g/l par rapport au seuil qui se situe autour de 1280 g/l pour une batterie complètement chargée.

Densité spécifique

Dans l'hémisphère nord la densité spécifique de l'électrolyte d'une batterie se situe entre 1250 et 1300 g/l, ce qui augmente la capacité disponible et par conséquent diminue la température de congélation (entre -40 et -50° Celsius) de la batterie. La densité de l'acide permet d'évaluer le taux de charge de chaque cellule d'une batterie. Dans les pays à climat chaud, la densité spécifique de l'électrolyte est située entre 1210 et 1230 g/l, pour diminuer le taux de gazéification à des températures élevées.

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