Le Stockage d’énergie

Le  système  de  stockage  est  un  élément  crucial  de  l’installation  photovoltaïque  du  point de vue technique, mais aussi du point de vue économique; car il représente 40 à 50 %  du coût de l’installation. Vue l’importance du stockage électrochimique de l’énergie solaire,  une étude théorique des différents types de batteries est menée, en particulier la batterie au  plomb qui est la moins coûteuse comparativement aux autres batteries.  Dans un système d'alimentation en énergie photovoltaïque, les  batteries  sont utilisées  comme un tampon de l’énergie (figure I.21).   Ce tampon est nécessaire parce que le soleil n'est pas toujours disponible dû aux divers  facteurs: le  climat,  le  temps pendant la  journée…etc.  Utiliser les  batteries pour  stocker la  puissance  électrique des  panneaux solaires sous  la  forme  d’énergie  chimique rend l'énergie  produite disponible chaque fois que cela est nécessaire, indépendamment des conditions du  temps et du climat.  

Comme les batteries font partie de l'ensemble du système électrique, il est nécessaire de  les inclure dans le modèle du système. Cependant un modèle du circuit électrique équivalent  pour  les  batteries  est  nécessaire,  pour  être  en  mesure  pour  analyser  les  performances  dynamiques et le comportement, à l’état d’équilibre, du système électrique tout entier. 

Lu, Liu et Wu ont  utilisé  un  modèle qui a  été initialement  développé  par  Salameh,  Casacca,  et  Lynch,  comme  le  montre  la  figure  (I.21).  C’est  une  amélioration  du  modèle  couramment  utilisé  du  circuit  équivalent  de  Thevenin.  Le  modèle  de  Thevenin  décrit  le  comportement  primaire  d’une  batterie  correctement,  mais  il  ne  rend  pas  compte  aux  changements lents des propriétés de la batterie, tel que l’augmentation et la diminution de  la tension de fonctionnement, causée par le processus « chargement et déchargement ». 

           Figure I.21 : Circuit équivalent d’une batterie au Plomb‐Acide. 

I.10.1 Principe de fonctionnement des batteries  

Le  principe  de  fonctionnement  d’un  générateur  électrochimique  est  essentiellement  basé sur la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Toute réaction chimique  d’oxydoréduction,  pourvu  qu’elle  soit  spontanée,  c’est‐à‐dire  accompagnée  d’une  diminution  d’énergie  libre,  est  en  effet  susceptible  de  donner  naissance  à  un  courant  électrique lorsqu’elle a lieu dans des conditions appropriées. Pour cela, il faut que l’échange  des électrons de valence s’effectue par le canal d’un circuit extérieur au système. 

Ainsi la combustion libre de l’hydrogène produisant de l’eau et de l’énergie calorifique  ne  peut  donner  naissance  à  un  courant  électrique  car  l’échange  électronique  s’accomplit  directement, en quelque sorte par un court‐circuitage moléculaire. 

I.10.2 Caractéristique  de la batterie   

Les principales caractéristiques des batteries sont: 

a) La tension nominale : 

C’est  la  force  électromotrice  de  l’accumulateur  en  fonction  du  couple  électrochimique  utilisé. 

b) La tension de charge  

C’est la tension minimale à appliquer pour charger efficacement l’accumulateur. 

c) La capacité nominale:  

C’est  la  quantité  d’énergie  que  l’on  peut  stocker  dans  la    batterie,  elle  s’exprime  en  ampères‐heures  (Ah).  Elle  est  donnée  dans  des  conditions  de  référence  (durée  de  décharge de 20h et une  température de 25°C). 

d)  La profondeur de décharge  

C’est  le  rapport  entre  la  quantité  d’électricité  déchargée  à  un  instant  t  et  la  capacité  nominale.  Ib  Cb1  Rb1  Rbs  Rbp  Cbp  Vb  Voc 

I.10.3 Choix de la technologie d'une batterie solaire plomb‐ Acide  

Ces batteries sont composées de plusieurs plaques de plomb dans une solution d'acide  sulfurique. La plaque consiste en une grille d'alliage de Plomb avec une pâte d'oxyde de plomb  marquetée sur la grille. La solution acide sulfurique et l’eau est appelée électrolyte.    Figure I.22: Détail d’une batterie au plomb‐acide de 12 volts.  Le matériel de la grille est un alliage de plomb parce que le plomb pur est un matériel  physiquement faible, et pourrait se casser pendant le transport et le service de la batterie. 

I.10.4 Technologie d’une batterie au plomb  

a) La tension  

La  tension  nominale  d’un  élément  au  plomb  est  de  2V.  Mais  comme  pour  la  technologie  au  nickel  cette  tension  varie  en  fonction  de  l’état  de  charge  de  l’accumulateur. Un élément chargé présente une tension de 2,1V, et on peut le décharger  jusqu’à une tension de 1,9V sans risque, le minimum absolu étant à 1,65V. 

Les  accumulateurs  au  plomb  sont  souvent  vendus  sous  forme  de  batterie  de  plusieurs  éléments.  La  version  la  plus  courante  est  la  batterie  à  6  éléments,  donc  dite  batterie 12V. La tension de ce type de batterie peut donc varier de 11V à 12,6V. 

b) La capacité  

La capacité des batteries au Plomb peut aller : 

‐ de 1Ah à plus de 1000 Ah pour les batteries à électrolyte stabilisé  ‐ de 2Ah jusqu’à 4000Ah pour les batteries à électrolyte liquide. 

Ce  sont  donc  des  batteries  de  forte  capacité  comparées  aux  accumulateurs  au  Nickel et plus encore au Lithium.  c) La résistance interne   La résistance des accumulateurs au plomb est négligeable dans le cas des fortes capacités.  Ces accumulateurs sont capables de fournir des courants énormes >2000A sous 12V. Ce sont  presque des générateurs parfaits. La résistance interne est inférieure au milli Ohms.  Cette valeur atteint au maximum 50 m dans le cas des accumulateurs à électrolyte  stabilisé des plus faibles capacités.  d) L’autonomie « sans apport solaire »   C’est la durée pendant laquelle le stockage assure le fonctionnement du récepteur sans  recevoir  aucune  charge  de  la  part  de  la  photo  génératrice.  Elle  dépend  de  la  capacité  de  l’accumulateur  et  de  l’énergie  requise  par  le  récepteur,  indépendamment  de  la  photo  génératrice. 

e) Respect de l’environnement  

Le  plomb  est  classé  parmi  les  métaux  lourds  toxiques.  Cependant,  la  batterie  au  plomb lorsqu’elle est hermétique ne représente aucun risque pour l’environnement. 

En effet, les batteries sont aujourd’hui récupérées et recyclées. L’industrie procède  aux opérations suivantes : tri des batteries, élimination de l’acide, stockage, démontage,  broyage  des  batteries,  réparation  des  plastiques  des  parties  métalliques  des  sels  et  oxydes de plomb, fusion et affinage. 

I.10.5 Principe de fonctionnement d’une batterie au plomb  

La  capacité  de  l’énergie  électrochimique  de  la  batterie  est  représentée  par  le  condensateur Cpb, dont la charge est le résultat de la circulation des électrons dans le temps,  et elle est linéaire pour des conditions de courant constant dans une marge de 10 à 90% du  niveau  de  charge  maximum.  La  valeur  de  Cpb  est  dérivée  de  l’expression  générale  de  l’énergie dans un condensateur : 

E

_c

=

¹

2  

V

_c²

                   

(I.6) 

Contrairement  à  un  condensateur,  la  tension  de  la  batterie  ne  sera  pas  égale  à  zéro  dans son état de la plus basse charge. Cela est équivalent à un condensateur ayant un niveau  de charge minimum égal à l’énergie Ec.min. La capacité d’une batterie complètement chargée  est  représentée  par  un  niveau  de  charge  maximum  égal  à  l’énergie  Ec.max.  Cela  conduit  à  l’équation suivante pour l’ensemble de l’énergie stockable dans la batterie : 

Dans le document Contribution à la modélisation et à la commande d’un système de génération hybride Solaire-Eolien (Page 46-50)