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

Il existe plusieurs types de batteries au nickel. Laissant de côté les anciennes batteries nickel-fer (qui ne peuvent être utilisées que pour une succession de charges et de décharges complètes) et les nickel-zinc (encore peu connues), il reste les nickel-cadmium (NiCd) et les nickel-hydrure métallique (NiMH).

Les batteries NiCd ne sont plus utilisées actuellement que pour des applications particulières, à cause des problèmes de recyclage du cadmium. On les réservera donc au cas de dispositifs devant avoir une longue durée de vie et situés dans des sites d'accès difficile.

Les batteries NiMH , moins polluantes, présentent aussi une plus grande densité énergétique. Très utilisées dans les appareils portables, elles ne sont cependant disponibles que sous forme de "bâtons" et de "boutons" de quelques Ah seulement, et ne sont dès lors intéressantes que pour de petites applications.

Principe de fonctionnement

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

On voit sur ce tableau que la concentration de l'électrolyte en matière active reste constante (ce qui est vrai aussi pour les autres batteries au nickel). Il en résulte que la tension d'attente (tension "à vide", c'est-à-dire en l'absence de courant) ne dépend pas de l'état de charge, du moins aussi longtemps que les deux espèces (chargé et d&eaucte;chargé) cohabitent sur les électrodes. La tension d'attente ne varie de façon significative que lorsque l'on approche des états complètement chargé ou complètement déchargé. Cette situation, en soit désirable, rend plus difficile l'estimation de l'état de charge de ces batteries.

Le fait que la concentration de l'électrolyte ne diminue pas lors de la décharge permet aussi aux batteries au nickel de mieux résister au gel : même déchargées, elle supportent une température de -20° voire encore plus basse. Par temps froid, leur vitesse maximum de charge est cependant réduite, comme nous le verrons plus loin.

Principaux traits du comportement

Les cellules au nickel-cadmium fournissent une tension à vide plus faible que celle des cellules au plomb. Les batteries sont donc souvent constituée d'un nombre plus grand de cellules montées en série.

Le tableau ci-dessous donne les caractéristiques de tension d'une cellule et d'une batterie constituée de 10 cellules en série.

En fait, les batteries NiMH peuvent être déchargées jusqu'à 0 V. Pourtant, lorsque la batterie est constituée de plusieurs éléments en série, on impose une limite inférieure à la tension pour éviter qu'un élément dont la capacité serait un peu plus faible se trouve déchargé avant les autres et donc soit polarisé "à l'envers", ce qui le dégraderait.

Problèmes liés à l'utilisation de potasse caustique

La potasse caustique qui constitue l'électrolyte peut se transformer au contact du CO₂ de l'air en carbonate de potassium. Ce dernier occasionne alors des réactions qui dégradent les électrodes. Ces batteries, lorsqu'elles ne sont pas du type "sans entretien", sont donc munies d'une soupape qui permet aux gaz formés de s'échapper et par laquelle il est possible d'ajouter de l'eau distillée, mais qui doit empécher le contact de l'électrolyte avec l'air extérieur.

Le fait d'utiliser des cellules sans entretien (avec catalyseur interne pour recombiner les gaz produits) évite le problème du contact avec l'air. Ces batteries sont obtenues en surdimensionnant l'électrode négative. C'est alors la quantité de matière active de l'électrode positive qui détermine la capacité de la batterie. En cas de charge excessive, seule cette électrode produit du gaz, à savoir de l'oxygène qui migre vers l'autre électrode et s'y recombine. Malheureusement, la recombinaison ne se fait que très lentement à basse température, de sorte que le courant de charge doit être maintenu à une valeur réduite dans ce cas.
On notera encore que même les cellules sans entretien comportent une soupape de sécurité, qui ne sert que lorsque le courant de surcharge est trop grand et produit de trop grandes quantités d'oxygène.

Autodécharge

Un point faible des batteries au nickel est leur autodécharge, qui rend illusoire leur emploi pour stocker de l'énergie sur de longues périodes. Le tableau ci-dessous donne une idée de l'ampleur du phénomène.

On remarque sur ce tableau que l'autodécharge est plus rapide lorsque la batterie est complètement chargée et ralentit au fur et à mesure que la charge diminue.

On notera que l'autodécharge conduit à surdimensionner l'installation. Par exemple, en vertu du tableau ci-dessus, pour une batterie ayant une autonomie de 5 jours à 40°C, il faut surdimensionner la batterie (et donc aussi les panneaux solaires) pour tenir compte de l'autodécharge, d'un facteur 1/(1-0.28) = 1.39 , soit un surdimensionnement de 39 % !

Ajoutons que, pour des température de la batterie encore plus élevées, son autodécharge peut devenir tellement rapide que l'autonomie de l'installation peut être réduite à quelques minutes.

L'effet de mémoire existe-t-il ?

L'effet de mémoire est le monstre du Loch Ness des batteries au nickel. Pour comprendre de quoi il s'agit, supposons qu'une batterie NiCd soit utilisée longtemps sans jamais être totalement déchargée. Dans ces conditions, une partie de la matière active est restée en permanence à l'état chargé, et cette partie prend alors une structure physique moins réactive. Lorsqu'une décharge plus profonde aura lieu et que ce sera au tour de cette portion de la matière active de réagir, la tension de la batterie va descendre un peu plus bas que ce qu'elle aurait été si toute la matière active avait été maintenue dans sa forme d'origine. La batterie peut cependant continuer à fournir la même capacité .... sauf si un système électronique, trompé par cette légère diminution de la tension de tension de batterie, arrête la décharge prématurément. Dans ce dernier cas, l'utilisateur va croire, à tord, que la batterie a perdu une bonne partie de sa capacité. L'effet de mémoire n'est donc vraiment gênant que si le système est équipé d'une protection trop simpliste.
La célébrité de l'effet de mémoire vient surtout de ce qu'il a été utilisé comme argument commercial pour dénigrer les batteries NiCd au profit des NiMh . Il est piquant de constater qu'il est maintenant cité comme un inconvénient des batteries NiMh, au profit cette fois des batteries au lithium.

Conclusion

Les cellules au nickel sont bien adaptées aux systèmes photovoltaïques qui ne nécessitent qu'un stockage d'énergie de courte durée (quelques jours au plus), car elles ne présentent aucun problème lors de cycles poussés. Le prix de revient des batteries est très élevé par rapport aux batteries au plomb, mais cet inconvénient est en partie compensé par une durée de vie plus longue.

Dernière mise à jour le 17-02-2004