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Le stockage de l'énergie avec des batteries domestiques
Les fédérations du secteur électrotechnique (dont Nelectra) réalisent conjointement le projet appelé "CEMS" (ou en anglais : ‘‘Customer Energy Management Systems’’) en collaboration avec Volta, leur centre d’expertise, de connaissances et conseils d’électrotechnique. Il s'agit d'un projet Coock de 3 ans soutenu par VLAIO. Un aspect important dans un système de gestion de l'énergie est le stockage de l'énergie et en particulier le stockage électrochimique, y compris la batterie domestique.
Un aspect essentiel des batteries est leur durée de vie et leur capacité de stockage ainsi que les coûts financiers qui déterminent le délai d'amortissement.
Qu'est-ce qui détermine la durée de vie ?
Il n'est pas simple d'estimer exactement la durée de vie d'un appareil ou d'un composant, car beaucoup de choses dépendent de son utilisation. Pour un boulon d'avion, le nombre de vibrations détermine le temps au bout duquel le boulon cède sous une certaine contrainte de traction dynamique. Dans le cas d’une batterie, c’est le nombre de cycles de charge et de décharge maximale après lesquels la batterie ne parvient plus à atteindre une certaine capacité. En outre, il faut également tenir compte du profil de charge, du profil de décharge et de la température.
Les fiches techniques et les limites de leur utilisation
Les fiches techniques sont généralement basées sur un profil d'utilisation cyclique, dans lequel seule une partie limitée de la capacité (la profondeur de décharge ou en anglais ‘‘Depth-Of-Discharge of DOD’’ en % de la capacité maximale) est utilisée, à température ambiante et avec un courant de charge/décharge limité mais constant. Il n'est donc pas évident d'en déduire la durée de vie dans des conditions réelles d'exploitation. Les valeurs de durée de vie indiquées dans les fiches techniques sont donc essentiellement indicatives. On considère qu'une batterie a atteint la fin de sa durée de vie lorsque sa capacité a été réduite à 80 % de sa valeur initiale. Bien entendu, une batterie dont la capacité est inférieure à 80 % de la valeur initiale peut encore être utilisée.
L'influence de la température
La température affecte à la fois la durée de vie et la capacité d'une batterie. La température de fonctionnement recommandée pour presque tous les types de batteries (basées sur les principes de fonctionnement électrochimique) est de 20°C. Une température plus élevée réduit la durée de vie et augmente légèrement la capacité. Ce dernier point est visible, par exemple, lorsque nous réchauffons une batterie presque épuisée mais que nous parvenons quand même à faire fonctionner notre lampe de poche ou notre téléphone portable pendant un certain temps. Une température plus basse n’affecte pas la durée de vie, mais elle diminue les performances d'une batterie. Nous connaissons tous le problème du démarrage d’une voiture à moteur à combustion en hiver. Cela est dû à l'augmentation de la résistance interne et/ou à la réduction de la capacité de la batterie de démarrage de la voiture à une température ambiante plus basse. Un autre exemple, que la plupart d'entre nous connaissent moins bien pour le moment, est celui de la voiture électrique. Par temps froid, son autonomie sera un peu plus faible. Le graphique ci-dessous montre l'effet de la température sur la capacité d'une batterie Li-ion.
Les batteries au plomb
Les batteries au plomb existent depuis déjà plusieurs décennies comme batteries de démarrage dans les voitures à moteur à combustion. Ces batteries électrochimiques existent depuis longtemps et sont relativement bon marché. La décharge profonde d’une batterie (par exemple, 80 % ou même 90 % de DOD) réduit considérablement le nombre de cycles de charge et de décharge de sa capacité initiale. Cela augmente également les risques d'endommagement de la batterie au plomb. Avec une décharge profonde, on utilise de 100 à 200 cycles. Lorsque la décharge est moins profonde, le nombre de cycles augmente. Les fiches techniques actuelles mentionnent de 800 jusqu’à 3000 cycles à 60% de DOD. Bien sûr, ce dernier sera assorti d’un coût plus intéressant. En outre, ce type de batterie doit être chargé régulièrement pour éviter son vieillissement prématuré. Le courant délivré par la borne de chargement est souvent très limité pour ce type de batterie. Typiquement 5% à 10% de la valeur C1 en Ampères. Bien plus que la profondeur de décharge, la capacité de charge limitée est souvent une préoccupation lorsqu'on envisage d'utiliser des batteries plomb-acide dans un système de stockage PV. L'acide-plomb comprend un certain nombre de variantes, chacune ayant ses propriétés spécifiques, telles que les batteries ‘‘liquides’’ (ou en anglais ‘‘flooded’’), l'AGM-VRLA, le GEL-VRLA et le plomb-carbone avancé.
Les batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion sont présentes dans les voitures électriques et les appareils mobiles tels que les ordinateurs et les téléphones portables. Cette chimie de batterie est bien plus récente que le plomb-acide mais est également relativement chère. La décharge profonde (typiquement 80% DOD) est possible et il existe actuellement sur le marché des batteries pouvant effectuer plus de 2000 cycles de charge/décharge tout en conservant la capacité initiale. Le courant de charge peut être réglé à 100 % de la valeur C1 en ampères. Une batterie lithium-ion peut être déchargée plus profondément et peut ainsi supporter également un courant de charge plus élevé qu'une batterie plomb-acide. Ces caractéristiques font souvent de la batterie lithium-ion un candidat idéal pour une utilisation dans un système de stockage PV. Une caractéristique spécifique des batteries lithium-ion est qu'elles nécessitent un système de gestion de la batterie (ou en anglais BMS : ‘‘Battery Management System’’). En raison de leur forte densité énergétique et de la réactivité du lithium, un "emballement thermique" peut se produire en cas de mauvaise utilisation et provoquer un incendie. Le BMS surveille le fonctionnement et prolonge la durée de vie de la batterie tout en éliminant les différences de tension entre les différentes cellules de la batterie (ce que l'on appelle "l'équilibrage"). L'emballement thermique ne concerne pas uniquement les batteries Li-ion mais peut également affecter les batteries au plomb. On peut également mentionner que le lithium-ion se compose d'un grand nombre de variantes, chacune ayant ses propres caractéristiques, comme le lithium phosphate de fer (LFP) et le lithium nickel manganèse cobalt (NMC).
Geert Verhoeven, VOLTA
