Énergie et environnement

L'éditeur de la revue « Sonnenenergie », à savoir la SSES, a chargé un auteur de rédiger des articles dits « grand public » sur les techniques d'exploitation de l'énergie solaire. Voici le premier volet consacré aux accumulateurs, un sujet important pour l'utilisation photovoltaïque.

Contrairement à la pile primaire (élément galvanique ou « pile jetable »), qui s'épuise au bout d'un certain temps, une pile secondaire (accumulateur) peut être rechargée. Ce qu’on appelle la « batterie de voiture » devrait donc s’appeler « accumulateur de voiture ». Dans ce qui suit, nous ne ferons pas de distinction très précise entre ces deux termes ; il est toutefois clair que notre intérêt porte avant tout sur les accumulateurs rechargeables, car ils constituent des composants essentiels des petites centrales solaires en fonctionnement autonome ou des véhicules solaires.

L'unité de mesure de l'énergie (et du travail) est le « joule ». 1 joule correspond à la réserve de travail (= énergie) contenue dans une masse de 100 g que l'on a soulevée de 1 m.

Ou encore : 1 joule correspond à l'énergie libérée lorsqu'un courant de 1 A circule pendant 1 seconde sous une tension de 1 volt.

Ou encore : si une puissance de 1 watt est fournie pendant 1 seconde, le travail effectué est de 1 joule.

1 joule (abrégé : J) est donc une quantité d'énergie relativement faible. 1 000 J correspondent alors à 1 kJ (« kilojoule »), 1 000 000 J à 1 MJ (« mégajoule »).

L'unité de mesure de la puissance est le « watt ». On parle d'une puissance de 1 watt lorsque le travail de 1 joule est effectué en 1 seconde.

Autrement dit : un courant de 1 ampère sous une tension de 1 volt représente une puissance (électrique) de 1 watt.

Un accumulateur d’énergie est d’autant plus performant qu’il peut stocker davantage d’énergie dans un volume aussi réduit que possible (mesuré en ^m³) ou avec une

faible masse (mesurée en kg). La « densité énergétique » exprime le rapport entre l’énergie stockée et le volume ou la masse (unité de mesure : « J/m³ » ou « J/kg »).

De la même manière, on peut décrire les performances du dispositif de stockage à l’aide de la « densité de puissance », qui exprime le rapport entre la puissance stockée et le volume ou la masse (unité de mesure : « W/m³ » ou « W/kg »).

L'énergie électrique est une énergie de grande qualité, facilement convertible en d'autres formes d'énergie. Le stockage de l'énergie électrique dans des accumulateurs est extrêmement pratique, car celle-ci peut alors être récupérée, pour ainsi dire, d'une simple pression sur un bouton. Cependant, les accumulateurs ne permettent de stocker qu'une quantité d'énergie relativement faible par rapport à leur masse ou à leur volume. C'est ce que montre la comparaison suivante :

| | Énergie
(MJ) | Masse nette

(kg) | Volume
(^m³) | Énergie/masse

(MJ/kg) | Énergie/volume

(MJ/m³) |
|--------------------------------------------------|-----------------|-------------------------|----------------------------|------------------------------|----------------------------------------|
| Tablette de chocolat (chim.) | 2,2 | 0,1 | 1,1 × 10⁻⁴ | 22 | 20 000 |
| Bidon d’essence (chim.) | 730 | 17 | 20 × 10⁻³ | 43 | 37 000 |
| Bouteille de gaz de camping (chim.) | 140 | 3,0 | 6 × 10⁻³ | 46 | 23 000 |
| Volant d'inertie (matériau à haute résistance !) | | | | 1,3 | 1 100 |
| Batterie de voiture (électr.) | | | | 0,13 | 360 |
| Condensateur chargé (très bon diélectrique !) | | | | | 2,2 |
| bobine traversée par un courant (supraconductrice !) | | | | | 80 |
Remarque : la notation 10⁻⁴ signifie 0,0001.

Le stockage de l'énergie chimique permet manifestement d'atteindre les densités d'énergie les plus élevées, tandis que le stockage de l'énergie électrique dans des champs électriques (dans des condensateurs) ou magnétiques (dans des bobines) permet d'obtenir des densités d'énergie encore plus faibles que celles possibles avec des accumulateurs.

L'utilisateur souhaite, lors de l'

utiliser des accumulateurs, que – la tension reste élevée et constante pendant toute la durée de la décharge,

– que la résistance interne reste faible tout au long de la décharge, de sorte que le courant de décharge reste constant,

– que les processus de charge et de décharge soient tous deux très courts, – que la durée de vie, et donc le nombre de cycles (nombre de charges/décharges), soit élevé.

Ces souhaits très égoïstes ne peuvent bien sûr être satisfaits que partiellement.

La capacité (ou « capacité de stockage ») d'une batterie est exprimée en « ampères-heures » (abrégé : Ah). Ce produit du courant et du temps correspond en fait à la charge que la batterie peut contenir. 10 Ah signifie, pour simplifier, que la batterie peut fournir pendant 1 heure un courant

de 10 A, ou un courant de 1 A pendant 10 heures. Cependant, la réalité n’est pas aussi simple qu’il n’y paraît à première vue. Les graphiques 1 et 2 montrent que la capacité dépend fortement du courant de décharge.

Le courant de décharge et la durée pendant laquelle il circule influencent directement la profondeur de décharge. On entend par là le pourcentage de la capacité nominale jusqu’à lequel une batterie

. Il existe des batteries photovoltaïques qui ne doivent être déchargées régulièrement en dessous de 50 % que dans des cas exceptionnels. La profondeur de décharge influe très fortement sur la durée de vie de la batterie : si elle est déchargée de manière intensive à plusieurs reprises, une batterie « vit » moins longtemps que si elle n’est que peu sollicitée.

Même une batterie inutilisée se décharge, mais assez lentement ; on parle alors d’autodécharge. Le taux d’autodécharge dépend fortement du type de batterie, de sa conception et, comme le montre le diagramme 3, de la température. L’autodécharge doit être compensée en permanence par un faible courant de charge.

Nous allons maintenant nous intéresser aux accumulateurs pouvant être utilisés pour stocker de l'énergie électrique dans les véhicules électriques ou les installations solaires en fonctionnement autonome. Ces applications se caractérisent généralement par un nombre élevé de cycles ; dans certaines circonstances, les batteries classiques peuvent s'user en seulement un mois en fonctionnement solaire.

– La batterie au plomb (par exemple, la batterie de voiture) fonctionne selon la réaction suivante :

Examinons ce processus de plus près, à titre d'exemple pour les autres types :

Lors de la charge, une partie des plaques de plomb se recouvre de dioxyde de plomb (PbO₂). Il s’agit de l’oxydation de l’anode (= pôle positif de la batterie). Ce processus signifie que des électrons sont retirés de l’anode. Dans le même temps, la cathode (= pôle négatif de la batterie) reçoit des électrons et transforme ainsi le sulfate de plomb (PbSO₄) en plomb pur. Il s’agit de la réduction de la cathode. Ces deux processus ont pour conséquence une augmentation de la proportion d’ions sulfate dans l’acide de la batterie (=

) la proportion d’ions sulfate augmente, ce qui entraîne une augmentation de la densité de l’acide ( $>1,28 \text{ g/cm}^3$ ).

Lors de la décharge, le processus s’inverse : le pôle négatif cède des électrons, tandis que le pôle positif en absorbe. Au niveau du pôle négatif, le plomb pur se transforme en sulfate de plomb (oxydation de la cathode) ; au niveau du pôle positif, le dioxyde de plomb ( $\text{PbO}_2$ ) se transforme également en sulfate de plomb (réduction de l’anode). Ces deux processus retirent des ions sulfate de l'acide de la batterie ; sa densité diminue ( $>1,15 \text{ g/cm}^3$ ).

Caractéristiques : cellule de 2,1 volts ; densité énergétique $1,3 \cdot 10^5 \text{ joules/kg}$ ; durée de vie d'environ 1 000 cycles ; densité de puissance de 20 (en continu) à 100 (en crête) watts/kg. La batterie au plomb est relativement peu coûteuse, mais sa durée de vie est limitée ; elle ne résiste pas bien aux cycles de charge-décharge et présente un taux d’autodécharge élevé. Cela constitue un inconvénient majeur, notamment lorsqu’elle est utilisée dans les véhicules électriques.

Les batteries au plomb-acide existent sous forme ouverte ou scellée :

• ouvertes : elles ne nécessitent qu’un entretien minimal, sont disponibles avec des capacités allant de 10 à 2 000 Ah ; elles permettent une charge à haut rendement.
• scellées : fonctionnement dans n'importe quelle position ; sans aucun entretien ; capacités de 0,8 à 110 Ah.

– La batterie nickel-cadmium repose sur la réaction suivante :

Caractéristiques : pile de 1,2 volt. Ce type de pile est coûteux en raison de la présence de cadmium, un métal lourd ; son élimination et son recyclage posent problème. Sa durée de vie est toutefois supérieure à celle d'une batterie au plomb. Il existe également des modèles ouverts et scellés :

• ouvertes : très longue durée de vie ; fonctionnent même à des températures allant jusqu’à $-40$ degrés Celsius ; capacités de 10 à 1 250 Ah.
• scellées : ne nécessitent absolument aucun entretien ; décharge à 100 % possible ; en montage en série, des tensions allant jusqu’à 110 V sont possibles ; capacités de 0,5 à 15 Ah.

Les types suivants ne sont mentionnés que brièvement en raison de leur faible diffusion :

• Batterie nickel-fer (utilisée notamment dans les voitures solaires de course)
• Batterie argent-zinc (très coûteuse !)
• Pile sodium-soufre à haute température
• Pile lithium-soufre à haute température

Le problème des cellules à haute température réside dans la nécessité d'un confinement sûr et étanche du soufre fondu, qui est très agressif. De plus, les cellules à haute température doivent généralement être mises en marche à l'aide d'une batterie auxiliaire.

On distingue deux rendements en matière de batteries : le rendement en Ah indique le rapport entre la charge pouvant être prélevée de la batterie et celle qui lui est fournie lors de la charge. Ce rendement est généralement d'environ 0,9 (soit 90 %).

Le rendement en Wh correspond au rapport entre l'énergie prélevée et l'énergie fournie. Cette valeur est toujours inférieure au rendement en Ah et s'élève à environ 0,8 (soit 80 %). Les batteries utilisées dans les installations solaires, en particulier, sont sans cesse déchargées puis rechargées. La charge doit être surveillée par un régulateur de charge, car une batterie déchargée prélève un courant qui s'affaiblit progressivement à partir d'une source de tension (par exemple un générateur solaire) jusqu'à ce que sa tension se rapproche de la tension d'alimentation. Si la source de tension augmente alors sa tension, la batterie peut continuer à absorber du courant. Elle finira par être complètement chargée. Si la tension d'alimentation reste alors supérieure à la tension de fin de charge de la batterie, celle-ci commence à dégager des gaz : de l'oxygène, de l'hydrogène et du gaz détonant se forment. Une batterie scellée développe alors une pression interne considérable, pouvant aller jusqu’à l’éclatement. Le régulateur doit alors veiller à ce que seul le courant nécessaire à la compensation de l’autodécharge soit fourni (ce qu’on appelle la charge d’entretien). À l’inverse, certains régulateurs surveillent la profondeur de décharge et coupent le courant si nécessaire (ce qu’on appelle la protection contre la décharge profonde). Bien sûr, selon leur niveau de complexité électronique, les régulateurs peuvent faire bien plus encore. Lors du passage en charge d’entretien, certains régulateurs se contentent de dissiper le courant fourni par le générateur solaire en

Capacité disponible C en fonction du courant
de décharge de la batterie : Varta Solar 82000.

Évolution de la tension en fonction de différents courants de décharge. La capacité effective peut être calculée à partir de la formule « temps de décharge – courant de décharge ».

une résistance, tandis que d’autres peuvent surveiller plusieurs batteries et les charger successivement selon des priorités prédéfinies.

La surveillance de l'état de charge s'effectue à l'aide de contrôleurs de tension, souvent associés à des régulateurs de charge. Leur fonction est d'indiquer l'état de charge ou de décharge, mais aussi

de la « capacité de la batterie », ce qui permet d’estimer la quantité d’énergie stockée.

L'utilisation d'accumulateurs dans le cadre d'installations solaires nécessite une planification minutieuse : les batteries doivent être adaptées à l'installation solaire

Autodécharge des batteries inutilisées, en fonction de la durée de stockage. I = batterie solaire A600, II = batterie au plomb standard.

Les générateurs doivent être bien réglés. Il est en outre absolument recommandé de prévoir, en plus de ces deux composants de base, un bon système de régulation et de surveillance. C'est seulement ainsi qu'une durée de vie optimale et une grande fiabilité de l'ensemble de l'installation sont garanties.

À l’heure actuelle, la batterie au plomb reste le type le plus répandu pour les applications principalement envisagées ici. La batterie nickel-cadmium est déjà beaucoup plus rare.

Les inconvénients de la batterie au plomb sont bien connus ; mais il faudra sans doute

encore très longtemps avant qu’une véritable alternative à la batterie au plomb ne soit disponible sur le marché.

Dieter Kuhn, physicien diplômé, 8057 Zurich

A. Stork : « Das private E-Werk », éditions VTL, Hirschau, 1990, environ 10 francs suisses ; U. Muntwyler : « La pratique des cellules solaires », éditions Franzis, Munich, 1990, environ 15 francs ; W. Hagemann (éd.) : « L'accumulateur au plomb », éditions pédagogiques W. Hagemann, Düsseldorf (transparent de projection).

Extrait de « Sonnenenergie » 3/91