Principe de fonctionnement d'une batterie solaire

Qu'est-ce qu'une batterie ?

₁ Description

Une batterie d'accumulateurs appelée plus communément batterie est un assemblage d'accumulateurs électrochimiques.

Un accumulateur électrochimique est un "générateur réversible", il peut stocker l'énergie électrique sous forme chimique puis la restituer à tout moment sur demande grâce à la réversibilité de la transformation.

Cette réaction est activée au sein d'une cellule élémentaire entre deux électrodes baignant dans un électrolyte, lorsqu'une charge est branchée à ses bornes.

L'accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible et donc rechargeable, contrairement à une pile.

A savoir
La quantité d'énergie pouvant être stockée dans une batterie s'appelle la "capacité", elle est exprimée en Ampère-heure (Ah). En multipliant cette capacité par la tension de la batterie, on obtient une quantité d'énergie en Watt-heure (Wh).
Exemple : Une batterie 12V / 100Ah à une capacité de 100Ah x 12V = 1200 Wh soit 1.2 kWh

Cette capacité nominale (Cn) est généralement donnée pour un régime de décharge en 10h (C/10). Pour une batterie de démarrage, on parlera plutôt d'un régime de décharge en 5h (C/5) et pour une batterie à décharge lente (solaire) le régime de décharge sera donné à courant constant sur 100h (C/100).

₂ Utilisation

1/ Le cyclage

Un cycle charge/décharge d'une batterie lui fait subir un léger affaiblissement de sa capacité, qui est d'autant plus important que la décharge est profonde. La durée de vie d'une batterie est donc liée au nombre de cycles charge/décharge et à leur profondeur.

Le nombre de cycles varie fortement en fonction du type de batterie (Plomb Ouvert, AGM, GEL, OPzS, OPzV, Lithium).

2/ État de charge et profondeur de décharge

L'état de charge (SOC), exprimé en %, est le rapport entre la capacité résiduelle et la capacité nominale de l'accumulateur. C'est à dire l'énergie restant dans la batterie.

La profondeur de décharge (DOD), exprimé en %, est le rapport entre la capacité déjà déchargée et la capacité nominale de l'accumulateur. C'est à dire l'énergie consommée dans la batterie.

La somme des valeurs de SOC et DOD donne toujours 100%.

Exemple : Une batterie qui a une profondeur de décharge de 30% a un état de charge de 70%.

Les batteries solaires sont adaptées au cyclage quotidien et à la charge lente par panneaux solaires. Leur durée de vie est considérablement augmentée si la profondeur de décharge quotidienne est inférieure à 40% de la capacité totale pour les batteries plomb et jusqu'à 80% pour les batteries lithium.

A savoir
Il est possible d'évaluer l'état de charge d'un accumulateur ou d'une batterie en mesurant sa tension au repos. Au moment de la mesure, la batterie doit être déconnectée de toutes les charges et à une température ambiante de 20 à 25°C. Exemple avec ce graphique d'une batterie AGM.

3/ Influence de la température

La capacité tient compte de la température de l'accumulateur, elle est annoncée en général pour 20 à 25°C. La capacité augmente quand la température augmente et baisse quand la température baisse.

La durée de vie de la batterie va également être liée à cette température d'exploitation. En effet, une augmentation de 10°C au-dessus de 20°C la réduira de moitié.

4/ Autodécharge

Les batteries au plomb se déchargent naturellement lorsqu'elles sont laissées en circuit ouvert. Le taux d'autodécharge varie entre 0.1 et 0.5% de la capacité nominale par jour à une température de 20°C.

Cette autodécharge augmente :

- avec le vieillissement naturel de la batterie
- avec la température (elle double de valeur tous les 10°C)
- à la suite d'un mauvais entretien
- à la suite d'une décharge profonde ou d'une inversion de polarité

Les accumulateurs au plomb

Le système électrochimique est constitué de dioxyde de plomb pour les plaques positives, d'une solution d'acide sulfurique diluée pour l'électrolyte et de plomb métallique spongieux pour les plaques négatives.

Pendant la décharge, il y a transformation de l'énergie chimique en énergie électrique, on observe :

- à l'électrode positive, une réduction de dioxyde de plomb, qui se transforme en sulfate de plomb.
- à l'électrode négative, une oxydation du plomb, qui se transforme en sulfate de plomb.
- la concentration de l'acide sulfurique diminue.

Pendant la charge, il y a transformation de l'énergie électrique en énergie chimique, on observe donc les réactions inverses.

En fin de charge :

- sur les accumulateurs au plomb ouvert, l'hydrogène et l'oxygène finissent par passer à l'état gazeux sur les électrodes (électrolyse). Ces gaz s'échappent alors par des orifices prévu à cet effet. Le niveau d'électrolyte va baisser peu à peu et doit être surveillé.

- sur les accumulateurs étanche, on s'affranchit de la consommation d'eau grâce à la recombinaison de gaz. La conception interne est faite de telle façon que l'évolution d'oxygène intervient sur l'électrode positive avant que l'évolution d'hydrogène ne se produise sur la négative (la négative est surdimensionnée). L'oxygène migre alors vers la négative à travers des canaux dans le séparateur et va réduire.

Les changements d'états successifs influent sur le rendement de l'accumulateur, sur son comportement en exploitation et sur sa durée de vie.

Télécharger le guide PDF "Optimiser la durée de vie des batteries plomb" (PDF 3Mo)

Et les accumulateurs Lithium-ion ?

Les batteries lithium (Li) se développent rapidement, à partir d'une technologie émergente, et présentent de nombreux avantages par rapport à d'autres types de batteries, notamment plomb acide. Elles sont plus petites et plus légères pour la même capacité, plus rapides à charger du fait de leur meilleur rendement de charge, et plus performantes en cycles charge/décharge. Toutefois, les batteries lithium sont d'un coût élevé et sont sensibles aux températures et tensions extrêmes.

Les accumulateurs lithium-ion : Le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative qu'à l'électrode positive.

L'électrode négative (anode) est réalisée le plus souvent en carbone et en en graphite.
L'électrode positive (cathode) est un oxyde de métal tel que le lithium-cobalt, phosphate de fer lithié ou lithium-manganèse.
L'électrolyte est un sel de lithium dissous dans un solvant organique.

Le nombre de cycles des accumulateurs Li-ion est beaucoup plus important que pour le plomb.

Exemple : Une batterie de 12V / 100Ah au plomb à une capacité utile de 40Ah (480Wh) avec une durée de vie d'environ 1000 cycles alors qu'une batterie lithium de 12V / 100Ah à une capacité utile de 80Ah (960Wh) avec une durée de vie d'environ 2500 cycles soit le double d'énergie disponible pour une durée de vie 2 fois et demi supérieure.

A savoir
Les batteries lithium-ion sont fragiles, elles ont une limite de tension basse et haute à respecter scrupuleusement, c'est pour cette raison que l'on utilise un système de management (BMS) qui assure la protection de l'accumulateur (tension, température, surcharge, etc...)

Impact sur l'environnement

Les éléments lithium-ion ont un impact environnemental faible, étant donné qu'ils ne renferment pas de métaux lourds et que leurs matériaux actifs (oxydes de lithium et sels) peuvent être recyclés facilement. Toutefois, au démontage, le sel conducteur peut réagir avec l'eau pour donner de l'acide fluorhydrique, et l'électrode négative de la lithine qui sont des produits corrosifs.

Le cobalt est un matériau qui est amené à disparaitre, mais il est progressivement retiré des nouvelles générations de batterie lithium-ion (< 8%).

Conseil pratique
Les batteries sont très nocives pour l'environnement si elles sont abandonnées n'importe où. En les ramenant dans des lieux de collecte telle que la déchetterie, elles pourront être recyclées.

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