Choisir une batterie solaire pour un site isolé

Choix d'une batterie pour système solaire / site isolé

Une fois dimensionner votre parc de batteries, il vous faut déterminer quel type de batterie solaire acquérir, la tension du système, nombre de rangée de batteries à installer..

NB : Nous traitons ici des batteries utilisées dans des sites isolés pour le stockage des énergies renouvelables.
Ces batteries sont soumises à des décharges et charges quotidiennes.

Guide de choix : Batterie solaire

Caractéristiques d'une batterie solaire

Nous allons identifier les principaux critères qui définissent une batterie adaptée aux énergies renouvelables, et en particulier à l'énergie solaire.

Capacité à fonctionner en état de charge partiel prolongé

Dans une application type véhicule électrique, la batterie est rechargée très régulièrement à 100 %.

Au contraire, dans une application solaire, la batterie peut être cyclée sans jamais n'être bien rechargée pendant une longue période, spécialement en hiver ou bien si le système est mal dimensionné.

Ce mode de fonctionnement en état de charge partiel est généralement très dommageable pour les batteries Plomb car il favorise la sulfatation (croissance des cristaux de sulfate de plomb qui augmente la résistance électrique des batteries et rendent leur charge de plus en plus difficile).

La "sulfatation saisonnière" i.e. en hiver est le principal mode de dégradation des batteries Plomb en utilisation solaire.

Rendement et acceptation de la charge

Obtenir du courant électrique à partir de panneaux solaires reste cher et une batterie solaire optimale devrait stocker l'énergie électrique avec le moins de perte possible (bon rendement de charge).

Une batterie déchargée doit accepter toute l'énergie en provenance des panneaux solaires afin de ne pas gaspiller l'énergie (chèrement) produite. L'acceptation de la charge d'une batterie solaire doit être bonne pour que les batteries se rechargent rapidement.

Une fois stockée sous forme chimique, cette énergie électrique ne doit pas être perdue : l'autodécharge de la batterie doit être la plus faible possible.

→ Une bonne acceptation de la charge et une faible auto décharge favorisent un état de charge élevé, ce qui a une influence directe sur la durée de vie des batteries.

De ces différentes caractéristiques va découler la durée de vie de la batterie en application solaire.

Durée de vie d'une batterie solaire

La durée de vie des batteries solaires est exprimée selon plusieurs critères :

Durée de vie exprimée en années quand la batterie est maintenue en permanence en charge à 25°C : Durée de vie en floating ou "Shelf life"

Cette durée de vie en floating est proche de la durée de vie maximale que pourrait atteindre une batterie solaire : cas d'une batterie ne subissant que des cycles de très faible profondeur.
Nombre de cycles charge - décharge en fonction de la profondeur de décharge selon la norme IEC 60896 permettant d'évaluer les performances des batteries stationnaires.

Cette durée de vie exprimée en nombre de cycles ne donne qu'une idée approximative du comportement d'une batterie en usage solaire car ces tests de cyclage ne reproduisent pas les périodes où les batteries solaires travaillent en état de charge partiel prolongé i.e. l'hiver.

C'est cette particularité que la norme IEC 61427 est chargée d'évaluer pour chaque batterie.

La norme IEC 61427

Procédures de test selon la norme IEC 61247

Les essais se déroulent à 40 °C afin d'accélérer le vieillissement de la batterie.

Le test se divise en deux phases :

La première phase (Stage A) consiste à simuler les conditions hivernales avec décharge profonde de la batterie et recharge partielle. La batterie subit 50 cycles de décharge entre 5 et 35 % d'état de charge.
La seconde phase (Stage B) reproduit les conditions estivales. La batterie subit 100 cycles entre 75 et 100 % de charge.

Au bout de ces 150 cycles, la capacité de la batterie est testée.

La procédure de test est reproduite jusqu'à ce que la capacité de la batterie soit inférieure à 80 % de sa capacité nominale.

Selon la norme IEC 61427, chaque période de 150 cycles représente une année d'utilisation d'une batterie à 20°C.

Chaque période de 150 cycles dure 50 jours. Le test peut se prolonger plus de 1000 jours pour les meilleures batteries comme les OPZS et OPZV de la marque BAE.

Importance de la norme IEC 61427

Nous avons vu que la durée de vie exprimée par le nombre de cycles en fonction de la profondeur de décharge ne permet pas d'exprimer les performances des batteries solaires.

Ceci est vrai entre technologie (ex batterie tubulaire OPZS versus batterie Gel), mais aussi si on veut comparer des batteries d'une même technologie.

Par exemple, toutes les batteries tubulaires OPZS affichent une valeur de 1500 cycles à 80 % de décharge (IEC 60896).

On pourrait imaginer que toutes ces batteries tubulaires sont équivalentes en utilisation solaire : c'est loin d'être le cas car les résultats selon l'IEC 61427 montrent qu’il y a une grande dispersion de durée de vie pour des batteries de même technologie. Ceci est lié à des différences au niveau de l’alliage de la grille, de la composition de la matière active, du process de production..

Source : Agence Internationale de l'Energie Report IEA PVPS T3-11: 2002
Testing of batteries used in Stand Alone PV Power Supply Systems

Il est regrettable que la plupart des fabricants n'indiquent pas le nombre de cycles selon la norme IEC 61427 sur les fiches techniques de leurs batteries solaires.

Pour notre part, nous proposerons en tant que batteries solaires, des batteries Plomb pour lesquelles nous avons les valeurs selon l'IEC 61427 ou des technologies qui intrinsèquement répondent aux nécessités de l'énergie solaire i.e. technologie Plomb carbone ou lithium.

Quelle technologie de batterie Plomb choisir ?

Dans le cadre d'une utilisation en solaire, chaque type de batterie Plomb présente des avantages et des inconvénients qui sont résumés dans le tableau suivant.

Notez qu'à l'intérieur de chaque type de batterie, il y a beaucoup de disparités selon les modèles et les fabricants.

	AGM Monbat	Rolls 4000	Rolls 5000	Solar Sonnenschein	Solar Block Sonnenschein	Pb Carbone DYNO	Northstar Blue+	OPZS BAE	OPZV BAE
Technologie	AGM	Plomb liquide	Plomb liquide	Gel	Gel	Plomb Carbone	Plomb carbone plaques fines	Plomb liquide OPZS	Gel OPZV
Étanche	Oui	Non	Non	Oui	Oui	Oui	Oui	Non	Oui
Nombre de cycles à 50 % de décharge IEC 60986	1000	1400	3200	1600	2500	2300	2050	2800	2600
Durée de vie en floating	12 ans	X	X	X	X	12 ans	12 ans	20 ans et +	20 ans
Durée de vie à 20 °C IEC 61427	6 ans	4 ans	7 ans	Estimation 5 à 6 ans	Estimations 7 à 8 ans	X	X	21 ans	20 ans
Garantie	2 ans	3 ans	5 ans	2 ans	2 ans	1 an	1 an	2 ans	2 ans
Résistance / décharges totales (< 10 V)	+	+++	+++	+	+	+	+	+++	+
Résistance aux Temp. élevées	+	++	+++	++	++	+	++	+++	++
Rendement de charge	90 - 96 %	85 - 90 %	85 - 90 %	90 - 96 %	90 - 96 %	90 - 96 %	92 - 98 %	85 - 90 %	90 - 96 %
Vitesse de charge	++	++	+	++	+	+++	++++	++	++
Utilisation Solaire + Groupe électrogène	++	++	+	+	+	+++	++++	++	++
Capacité Max d'une batterie C100	220 Ah (12 V)	Quelques centaines d'Ah (6 V)	Quelques milliers d'Ah	230 Ah (12 V)	330 Ah (6 V)	Quelques centaines d'Ah (6 V)	250 Ah (12 V)	Quelques milliers d'Ah	Quelques milliers d'Ah
Coût (€ / durée de vie)	++	++	++	+	++	+++	+++	++++	++++

Arbitrage batterie ouverte liquide / Batterie étanche

Les batteries gel ou AGM sont environ deux fois plus chères que les batteries plomb ouvert (liquide).

Ces batteries étanches seront réservées dans les cas où :

L'entretien des batteries est difficile à réaliser
Le local batterie est peu ou pas aéré (hydrogène, odeur, vapeurs acides)
Le risque de gel est important
Les fuites d'acides doivent être évitées en cas de casse des batteries ou renversement

La charge par un panneau solaire est généralement lente et avec un régulateur de charge (indispensable), les dégagements d'hydrogène sont très faibles : dans la très grande majorité des cas, nous préconisons des batteries ouvertes pour des raisons de coûts, surtout si la capacité des batteries doit être importante.

Autre point important : En cas de sulfatation, les batteries liquides sont plus facilement récupérables que les batteries Plomb étanches.

Arbitrage batterie Gel / Batterie AGM

Plus que tout autre type de batteries Plomb, les batteries gel doivent être utilisées avec du matériel adapté (régulateur, chargeur). Deux points importants sont à surveiller :

Ne pas dépasser les courants de charges Max. Dans des sites isolés, ces problèmes de limitations en courant de charge seront rencontrés surtout avec des systèmes hybrides où on utilise en appoint un groupe électrogène.
Utiliser une compensation en fonction de la température des batteries. Nécessaire si forte fluctuation de la température ambiante et si T ambiante > 30 °C.

Les batteries AGM sont plus faciles d'emploi que les batteries gel mais comme pour toutes les batteries Plomb, leur durée de vie de vie sera prolongée si on respecte les paramètres de charge (tension, température..).

Les batteries Plomb Carbone

Les batteries Plomb Carbone résistent bien mieux à la sulfatation que la plupart des batteries Plomb standard : Cette particularité permet à ces batteries de fonctionner en état de charge partielle (Partial State of Charge = PSOC).

Les plaques Plomb Carbone améliorent la conductivité électrique et la vitesse de charge surtout en fin de charge. La vitesse de charge est encore plus élevée quand l'ajout de carbone est associé à la technologie plaques fines plomb pur des batteries Northstar Blue +.

Ces caractéristiques font que les batteries Plomb carbone sont adaptées au stockage saisonnier de l'énergie solaire.

Batteries de traction et énergie solaire

Les batteries de traction peuvent être utilisées pour le stockage de l'énergie solaire, mais leur durée de vie moyenne sera inférieure aux véritables batteries solaires.

Ce ne sont pas des batteries stationnaires ; elles ne seront donc pas performantes dans les cas où les batteries doivent rester longtemps bien chargées (ex. : cas des maisons secondaires).

Les batteries de traction tubulaires type PZS ou PZB sont régulièrement installées dans des sites isolées car elles sont rapidement disponibles à des prix abordables.

Cependant, plusieurs précautions doivent être prises pour leur emploi :

Faire des charges d'égalisation au moins une fois par semaine avec un régulateur solaire adapté
Veiller à la remise en eau ou installer un kit de remplissage centralisé
Les installer dans un local aéré (dégagement d'hydrogène).Les batteries de traction peuvent être utilisées pour le stockage de l'énergie solaire, mais leur durée de vie moyenne sera inférieure aux véritables batteries solaires.