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

Principe de fonctionnement

Un bref aperçu du principe de fonctionnement des batteries au plomb va nous aider à en décrire les caractéristiques.
Le tableau ci-dessous indique quels sont les matériaux qui interviennent dans le processus électrochimique d'une cellule au plomb.

On voit sur ce tableau que l'un des matériau actif est en phase liquide, et que sa concentration varie en fonction de l'état de charge.
Une conséquence de ce fait est la tension d'attente (tension "à vide", c'est-à-dire en l'absence de courant) dépend de l'état de charge. Ce phénomène, s'il est en soit indésirable, peut néanmoins être utilisé pour estimer l'état de charge d'une batterie.
Une autre conséquence est que la température de gel de l'électrolyte dépend de l'état de charge de la batterie.

Un autre phénomène important est l'apparition de sulfate de plomb dans les électrodes lors de la décharge. A l'électrode positive, ce sulfate de plomb occupe un volume 1.5 fois plus grand que l'oxyde PbO qu'il remplace, tandis qu'à l'électrode négative, il occupe un volume 3 fois plus grand que le plomb métallique qu'il remplace. Ce gonflement tend à boucher les pores des électrodes, et donc à ralentir la vitesse des réactions au fur et à mesure que la décharge progresse, puisque l'électrolyte trouve de moins en moins de place entre les grains pour atteindre la partie du matériau actif en cours de transformation chimique.
En outre, le sulfate de plomb est un mauvais conducteur électrique, de sorte que, s'il se forme un îlot de matière active entouré de sulfate de plomb, cet îlot ne pourra plus guère être utilisé lors de la décharge en cours. De tels îlots se forment surtout lors des décharges rapides, et réduisent (temporairement) la capacité apparente de la batterie.

Sulfatation

Un des problèmes typiques affectant les batteries au plomb est la sulfatation. Pendant la décharge, il se forme toujours, de par le principe de fonctionnement de la batterie (voir tableau en haut de cette page), du sulfate de plomb. Au départ, ce sulfate apparaît sous une forme granuleuse, facilement retransformable lors de la charge de la batterie. Malheureusement, le sulfate de plomb a tendance à recristalliser sous une forme plus stable et électriquement isolante.

Cette transformation physique indésirable du sulfate de plomb, qui porte le nom de sulfatation, se produit surtout lorsque

• une cellule reste de manière prolongée incomplètement chargée,
• une cellule subit une décharge trop profonde,
• la température d'une cellule dépasse 45°C,
• l'électrolyte est trop concentré par suite de la gazéification

Une batterie sulfatée se reconnaît à la couleur blanche de ses plaques et au fait qu'il est très difficile d'y faire circuler un courant de recharge (résistance interne très élevée).

Il faut être particulièrement attentif au phénomène dans les pays chauds. On veillera à commander des batteries sans électrolyte et à ne les remplir d'électrolyte que lorsque toute l'installation est prête à réaliser la première charge. Le remplissage se fera avec un électrolyte un peu plus dilué que la normale.

Les batteries destinées à un usage automobile contiennent des catalyseurs destinés à accélérer les vitesses de réaction, ce qui est indispensable pour que ces batteries puissent fournir les courants élevés nécessaires au démarrage du véhicule. Malheureusement, ces catalyseurs accélèrent aussi la sulfatation. Ce n'est pas trop gênant pour une utilisation sur un véhicule car la batterie est immédiatement rechargée après chaque utilisation. Par contre, utiliser une batterie de voiture dans une installation solaire sera souvent une mauvaise solution, malgré le prix intéressant de ces batteries, car la durée de vie d'une telle batterie sera courte puisque les batteries des installations photovoltaïques sont la plupart du temps dans un état partiellement déchargé.

Principaux traits du comportement

Les batteries au plomb sont souvent constituée d'un groupe de 6 cellules montées en série (aussi bien pour les batteries "solaires" que pour les batteries couramment utilisées dans les voitures).

Les considérations ci-dessus permettent de comprendre le tableau ci-dessous, qui donne les caractéristiques de tension d'une cellule et d'une batterie constituée de 6 cellules en série.

La figure ci-dessous montre comment la tension évolue en fonction de la charge fournie, pour différentes valeurs du courant de décharge. Ces courants valent (en A) respectivement 5% , 15% et 25% de la capacité nominale (en Ah), ce qui correspond à une durée de décharge d'environ 20h , 6h et 3h respectivement.

Figure S05-7 : Evolution de la tension en fonction de la charge fournie pour 3 valeurs du courant de décharge (il s'agit d'un exemple typique ; les courbes sont légèrement différentes d'une fabrication à une autre)

On voit sur ce graphe que la capacité dépend du courant de décharge, ce qui est dû au phénomène d'îlotage de matière active décrit plus haut, mais aussi à la chute de tension occasionnée par le passage du courant, qui fait que la tension limite de décharge est atteinte plus vite à fort courant. Ce dernier phénomène est moins pénalisant que le premier car la perte de capacité qui en résulte peut être récupérée en continuant la décharge à courant réduit. On peut aussi récupérer une partie de la capacité perdue en laissant à la batterie un temps de récupération (pendant lequel l'électrolyte peut s'infiltrer dans les pores des plaques et la matière active restante prendre une forme plus accessible) avant de terminer la décharge.

Méthodes d'estimation de l'état de charge propres aux batteries au plomb

Une méthode plus précise pour estimer l'état de charge, mais qui demande une intervention manuelle, consiste à mesurer la densité de l'électrolyte, ce qui permet de connaître la quantité d'acide sulfurique restante.
La masse spécifique de l'électrolyte d'une batterie à pleine charge varie entre 1.240 et 1.280 kg/litre, en fonction du type de batterie. A la tension limite de décharge, la masse spécifique de l'électrolyte s'élève à environ 1.100 kg/litre.
La mesure de la masse spécifique peut être effectuée à l'aide d'un hydromètre.

Protection contre le gel

Puisque la concentration de l'électrolyte diminue lors de la décharge d'une batterie, la profondeur de décharge doit être limitée par temps froid. C'est ainsi que, pour une protection devant aller jusque -10°C, on doit limiter la déchage à 80% seulement de la capacité de la batterie, et que pour une protection devant aller jusque -20°C, on doit limiter la décharge à 60% seulement de la capacité de la batterie. Ceci entraîne non seulement la nécessité de surdimensionner la batterie, mais aussi celle de disposer d'un estimateur de l'état de charge suffisamment précis.

La figure ci-dessous indique quelle est la température de sécurité en fonction de l'état de charge de la batterie.

Figure S05-8 : température de sécurité contre le gel en fonction de l'état de charge (il ne s'agit que d'un exemple typique ; cette courbe dépend fortement de la constitution de la batterie)

Autodécharge

Même en l'absence de courant de charge, l'hydrolyse de l'eau se produit car la tension d'attente d'une batterie au plomb est largement supérieure à celle qui correspond à cette hydrolyse. On peut cependant maintenir la vitesse de cette réaction à un niveau assez faible par l'usage d'additifs inhibiteurs, surtout dans le cas des batteries solaires car l'effet négatif de ces additifs sur la valeur maximum admissible du courant n'est pas trop pénalisant pour ces batteries (rappelons qu'il ne faut jamais utiliser une batterie solaire pour démarrer un moteur de voiture).

La vitesse d'autodécharge dépend de la tension de la batterie et de la température. La figure ci-dessus indique l'allure de la dépendance vis à vis de la température. L'autodécharge est plus rapide quand la batterie est complètement chargée car la tension est alors plus grande.

Figure S05-9 : vitesse d'autodécharge en fonction de la température (il s'agit à nouveau d'un exemple typique, cette courbe dépendant fortement de la fabrication)

On observe que l'autodécharge est assez faible pour ne pas être trop pénalisante dans le cas d'un stockage d'énrgie à l'échelle de quelques jours. En cas de nécessité, des durées de stockage de plusieurs mois peuvent être envisagées (mais sont rarement justifiées d'un point de vue économique dans le cas d'une installation photovoltaïque).

Dernière mise à jour le 25-02-2004