Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 5 : Batteries et connexions au réseau public
Guidance

Les propriétés des accumulateurs sont l'objet d'une terminologie qu'il est important de connaître pour éviter les confusions.

Cellule ou élément

On appelle cellule ou élément un ensemble formé d'un électrolyte (solution contenant des ions mobiles), une électrode positive et une électrode négative. Les cellules peuvent fournir de l'énergie électrique moyennant transformation des composés chimiques qu'elles contiennent.

On distingue les cellules primaires, utilisables une seule fois, et les cellules secondaires, ou rechargeables, qui peuvent être ramenées dans leur état initial en leur fournissant de l'énergie électrique.

Monobloc ou pile

On appelle monobloc, ou pile, un ensemble d'une ou plusieurs cellules associées en série et formant constructivement un seul ensemble, souvent disposées dans un seul bac compartimenté. Utilisé seul, le mot "pile" désigne habituellement un monobloc primaire (non rechargeable). On parle de pile rechargeable, ou accumulateur, lorsqu'il s'agit de cellules secondaires.

Batterie

On appelle batterie un ou plusieurs monoblocs associés en série ou en parallèle par des connexions externe, et formant un seul ensemble fonctionnel.

Les définitions ci-dessous s'appliquant aussi bien aux cellules qu'aux accumulateurs et aux batteries, nous utiliserons un seul de ces trois mots pour ne pas allourdir le texte.

Il s'agit du niveau de tension minimal au-dessous duquel ne peut descendre une batterie si l'on veut éviter que celle-ci soit endommagée.

Capacité

La capacité d'un accumulateur est une mesure de la quantité de charge électrique (parfois d'énergie électrique) qui peut être fournie par l'accumulateur lors d'une décharge normale, c'est-à-dire notamment sans descendre en dessous de la tension limite de décharge.

La capacité d'un accumulateur est déterminée par la quantité de matériaux actifs susceptibles de changer d'étage d'oxydation lors de la décharge de l'accumulateur. Elle pourrait être exprimée en coulomb (l'unité SI de charge électrique), mais en technique on préfère l'exprimer en ampères * heures [Ah], c'est-à-dire le temps (en heures) pendant lequel l'accumulateur peut délivrer une certaine intensité de courant avant d'être déchargé, multiplié par cette intensité de courant.
Bien entendu, un ampère.heure équivaut à 3600 coulombs.

Lorsque la capacité est définie en terme de quantité d'énergie, on l'exprime en watts.heures [Wh]; pour trouver la valeur de la capacité en Wh, il suffit de multiplier la capacité (en Ah ) par la tension (en V) supposée constante pendant la décharge.

On notera que

• la capacité en Ah ne dépend pas du nombre de cellules connectés en série ;
• la capacité en Wh est proportionnelle au nombre de cellules connectés en série ;

Capacité standard d'une batterie

La mesure de la capacité d'une batterie dépend de la façon dont on effectue la décharge. En effet, la décharge est considérée comme terminée lorsque la tension de la batterie chute en dessous d'un seuil limite en dessous duquel on considère que la batterie se dégraderait trop rapidement. Or, lors d'une décharge rapide, ce seuil est atteint pour une charge fournie plus faible parce qu'une partie de la matière active n'a pas eu le temps de réagir (et la chute de tension "ohmique" due au passage d'un courant élevé aggrave encore la situation). Il est donc important que la capacité soit normalisée si l'on veut pouvoir comparer les capacités. En général, la capacité standard d'une batterie est définie à 20°C, en déchargeant la batterie à l'aide d'un courant constant par lequel elle se décharge en 10 heures. On parle alors d'une capacité de batterie à C/10 ou C₁₀ .

Dans le cas particulier des batteries destinées aux applications photovoltaïque, le fabriquant mentionnera souvent aussi la capacité de décharge sur 100 heures, soit C/100 , ce qui est une information utile pour les applications où les batteries doivent pouvoir couvrir le besoin d'énergie pendant plusieurs jours d'affiliée. Il est courant de rencontrer des capacités C₁₀₀ supérieures de 30% environ à la capacité C₁₀ .

L'état de charge instantané (SOC) est la quantité résiduelle de charge pouvant être utilisée par rapport à la capacité à pleine charge. L'état de charge est exprimé en pourcentage. Il vaut donc 100% dans le cas d'une batterie complètement chargée. Pouvoir estimer l'état de charge d'une batterie est un problème qui intéresse au plus haut point l'utilisateur, et qui est malheureusement très difficile. Une modélisation mathématique de la batterie peut aider à traiter ce problème.

On appelle cycle une décharge (pas nécessairement complète) suivie d'une charge jusqu'à l'état de charge initial. Pour définir le comportement de la batterie, on considère des cycles qui n'utilisent qu'une fraction de la capacité standard. Dans un cycle court, la batterie ne se décharge que de quelques pour cents avant d'être rechargée (exemple, démarrage d'un moteur d'automobile). Une décharge correspondant à 50% ou plus de la capacité standard est appelée cycle profond. C'est ce second type de cycles qui est le plus important dans le cas de batteries "solaires".

La durée de vie d'une batterie est la période après laquelle la capacité d'une batterie à pleine charge n'est plus que de 80% de sa valeur initiale.

Les cycles de décharge et de charge font vieillir les batteries, car de petites particules de matériaux actifs se détachent des électrodes et ne participent plus au processus (elles tombent au fond de la cuve si la construction de la batterie le permet) ; la capacité de la batterie s'en trouve réduite. Le nombre de cycles pouvant être exécutés avant que la capacité de la batterie ne soit ramenée à 80% de sa valeur initiale est appelé la durée de vie en cycles. Elle dépend de la profondeur du cycle, du courant de décharge et de la température.

Le vieillissement des batteries est plus rapide lorsqu'elles effectuent des cycles profonds. Les batteries conçues pour les applications solaires doivent pouvoir supporter un nombre de cycle profond plus élevé que les batteries qui ne sont utilisées que pour des cycles courts, comme les batteries de voiture.

Même si une batterie n'effectuait pas de cycle, restant en permanence chargée à sa tension maximum, elle vieillirait néanmoins. La période après laquelle la capacité tomberait dans ces conditions à 80% de sa valeur initiale est appelée la durée de vie calendrier d'une batterie. Elle est exprimée en année et dépend de la température des cellules, ainsi que de la tension à laquelle elles sont maintenues.

Lors de la charge d'une batterie, sa tension s'élève. Lorsque l'on atteint une tension suffisamment élevée, l'électrolyse de l'eau contenue dans la batterie devient trop rapide et donne lieu à un dégagement de gaz (oxygène et hydrogène) à l'intérieur de la batterie. Cette tension est appelée tension de gazéification.

La montée de la tension est particulièrement rapide en fin de charge, lorsqu'il n'existe presque plus de matériau actif à l'état de décharge. On définit donc une tension de charge maximum qui doit toujours être inférieure à la tension de gazéification.

Cette tension peut être dépassée pendant un temps court à la fin de la charge, car une gazéification légère ne dégradera pas les batteries de façon significative, et peut même s'avérer utile parce que les bulles formées mélangent l'électrolyte, éliminant ainsi les différences de concentration dans celui-ci.

Par contre, en cas de gazéification trop fréquente, non seulement on risque de dégrader les électrodes mais la perte d'eau fait que l'électrolyte se concentre. Il faut alors procéder à un entretien plus fréquent des batteries, car il faut ajouter de l'eau (pure) lorsque le niveau de l'électrolyte est trop bas. Il existe des batteries "sans entretien" qui évitent la perte d'eau due à la gazéification à l'aide d'un catalyseur qui recombine les gaz produits à l'intérieur de la batterie (si la batterie est scellée, on peut détecter l'apparition de ce phénomène de l'extérieur en surveillant la chaleur dégagée par la batterie). Même dans le cas de ces batteries, il peut y avoir perte d'eau par évaporation, de sorte qu'un entretien, quoique avec une périodicité plus longue, peut rester utile.

Toutes les batteries se déchargent lorsqu'elles ne sont pas utilisées. La "perte de charge" est due pour une part à des phénomènes de diffusion de composées oxydo-réducteurs à l'intérieur de la batterie, et pour une autre part à la gazéification. Ce dernier phénomène est d'autant plus important que la tension (donc l'état de charge de la batterie) est plus élevée. La rapidité de la décharge est définie comme la perte de charge mensuelle et exprimée en pourcentage de la capacité.

Le rendement de charge d'une batterie est le rapport entre la quantité de charge fournie lors d'une décharge et la quantité de charge nécessaire pour ramener la batterie dans son état initial. Ce rapport est inférieur à l'unité à cause des phénomènes décrits ci-dessus, et notamment de la gazéification qui est plus importante durant la charge de la batterie, surtout à la fin de celle-ci.

Le rendement de charge diminue donc lorsque la batterie est rechargée complètement. Même pour une charge limitée à un SOC de 80%, il est normal de n'avoir un rendement de charge que de 90%. Le rendement de charge diminue rapidement lorsque l'on approche d'avantage de la charge complète.

On notera que le rendement énergétique d'une batterie est toujours plus faible que son rendement de charge. En effet, la puissance fournie ou absorbée par une batterie est égale au produit de son courant par sa tension. Pour que le rapport des énergies soit égal au rapport des charges, il faudrait que la tension soit la même pendant la charge que pendant la décharge (pour chaque valeur du SOC rencontrée).

Or, pour une même valeur du SOC, la tension est plus faible lors de la décharge que lors de la charge à cause du retard pris pour atteindre l'équilibre chimique et de la résistance "ohmique" interne à la batterie. Le rendement énergétique s'en trouve pénalisé, surtout si la décharge ou la charge sont rapides.

Dernière mise à jour le 17-02-2004