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Les batteries, pilier d’un système électrique autonome

Pour assurer une autonomie, il vous faut des piles. Est-ce que le modèle AA suffit ? Bien sûr que non… Voici nos précisions !

Batteries dans la maison autonome des Jardins de l’Écoumène
Batteries dans la maison autonome des Jardins de l’Écoumène. © Écohabitation

Les batteries sont sans nul doute le pilier d’un système électrique autonome. Elles sont le réservoir, l’endroit où l’énergie produite en surplus par temps ensoleillé et de peu d’activité est stockée pour une utilisation future. Les batteries nécessaires pour une installation autonome diffèrent des batteries que l’on retrouve dans les voitures. Elles nécessitent en effet de pouvoir offrir une décharge lente, alors que les batteries de voitures peuvent se décharger presque complètement sur une très courte période pour démarrer le moteur. Ces batteries à décharge lente (ou à décharge profonde) sont du même type que celle des téléphones cellulaires ; cependant elles ont une capacité qui va bien au-delà des quelques ampères-heures nécessaires pour les téléphones. Avant l’achat des batteries, il est donc important de se questionner sur le type, la capacité et le nombre de batteries nécessaires.

Comment ça marche?

Une batterie est composée de deux électrodes et d’un électrolyte. La production d’électricité est réalisée par une double réaction chimique entre ces composants, soit une oxydoréduction.

L’électrolyte est le liquide conducteur dans lequel sont plongées les deux électrodes. Ce liquide permet le transfert des ions entre les deux électrodes. Et on se rappelle que l’électricité est en fait est une circulation d’électrons.

Ainsi avec une batterie chargée, si les deux électrodes sont reliés (circuit fermé), la différence de potentiel entre les deux électrodes engendrera un flux d’électrons quittant l’anode (électrode où se produit l’oxydation) se dirigeant à travers un circuit électrique vers la cathode (électrode où se produit la réduction) qui récupèrera les électrons. Ce changement de charge permettra l’accumulation sur les électrodes d’ions se trouvant en solution dans l’électrolyte.

Pendant la charge de la batterie, la réaction se fait en sens inverse puisque le sens du courant induit par le système de production d’électricité est inversé.

Batteries, tension, courant

Les batteries se définissent par leur tension, leur capacité et leur durée de vie.

  • Les accumulateurs de base constituant les batteries ont une tension nominale de 2 Volts. Ainsi, pour avoir une batterie de 12 Volts, elle nécessitera la mise en série de 6 éléments de 2 Volts.
  • La capacité de la batterie est la quantité de charge produite par les accumulateurs pour une période de temps. C’est une manière d’évaluer la quantité d’énergie emmagasinée dans la batterie en ampère-heure pour une tension donnée. Par exemple, une batterie pouvant fournir 720Wh d’énergie sera décrite selon ses 12 Volts de tension et ses 60 Ah de capacité.
  • Leur durée de vie, qui dépend énormément de la méthode d’utilisation des batteries, est souvent donnée par un nombre de cycles, où un cycle représente la charge et décharge complète de la batterie. Généralement les batteries ont des durées de vie de 300 cycles, cependant, si la décharge subite pour les cycles n’est que de 50% alors la durée de vie peut atteindre jusqu’à 600 cycles[1].

Maintenant que ces trois principales caractéristiques ont été définies, il est essentiel de dimensionner la batterie. Afin de trouver sa capacité nécessaire, il faut calculer la quantité théorique d’énergie devant être stockée, décider d’une tension, d’une période d’autonomie et d’une profondeur de décharge.

  • La quantité théorique d’énergie pour une journée devant être stockée dépend des équipements qui seront utilisés. Par exemple, la consommation d’une ampoule de 100 Watts pendant une heure nécessitera 100Wh d’énergie stockée.
  • La tension nominale des accumulateurs peut aller jusqu’à 48 Volts, cependant une intensité de 12 Volts est préférable puisque certains équipements électriques peuvent directement utiliser le courant à cette tension.
  • La période d’autonomie à choisir devrait être d’au moins 4 jours. Ainsi la batterie devrait pouvoir stocker l’équivalent de 4 jours d’énergie si le mauvais temps venait à empêcher la génération d’électricité.
  • La décharge des batteries devrait varier entre 60 et 80% de la capacité maximale afin de tirer profit des batteries sans en compromettre leur durée de vie.

Ainsi, en gardant l’exemple simple de l’ampoule 100 Watts allumée 1 heure par jour, avec  une autonomie de 4 jours, une tension de 12 Volts et une décharge de 70%, il faudra une batterie de 48 Ah de capacité :

Calcul

Astuces et conseils pour la sécurité :

  • Pour contrer le phénomène de stratification, il suffit que le régulateur envoie périodiquement une charge d’égalisation aux accumulateurs. La stratification consiste en une non-homogénéité de l’électrolyte ; l’acide et l’eau sont séparés en deux couches et les réactions sont plus difficiles.
  • Pour contrer le phénomène de sulfatation, il serait mieux de ne pas prendre des batteries sur la hauteur, opter pour des batteries larges semble préférable. La sulfatation représente le phénomène naturel où le sulfate de plomb s’accumule sur les électrodes. Ce phénomène est réversible sauf si les températures sont trop élevées, si la décharge est trop profonde ou s’il y a dégagement gazeux.
  • Pour limiter la décharge profonde et pour avoir une réserve plus grande, il pourrait être utile de prévoir plus de batteries que la quantité calculée.
  • Pour augmenter la durée de vie, il est préférable de les utiliser comme si elles étaient des batteries de voitures à décharge peu profonde, c'est-à-dire de ne pas les décharger ou les recharger à plus de 20 % de leur capacité.
  • Pour augmenter la durée de vie lors de l’entreposage des batteries, il est conseillé de recharger complètement les batteries et également de faire un cycle de décharge et recharge à tous les 2 mois.
  • Pour éviter de surchauffer le système ou de réduire son efficacité, il faut choisir adéquatement la grosseur et la qualité des câbles ou fils de branchement.
  • Pour favoriser une recharge rapide, les batteries doivent être placées dans un endroit chaud (15 à 25°C) et sec. La température va déterminer la vitesse de la réaction chimique dans la batterie.
  • Pour éviter que les gaz qui se forment lors de la recharge réagissent avec d’autres éléments, il faut mettre les batteries loin des sources de chaleur comme un foyer, une chaudière… et dans un endroit aéré. En fin de recharge ou lorsque la tension et la température sont trop élevées, un dégagement d’hydrogène et d’oxygène, des gaz explosifs, peut se produire. Cependant si le nombre de batteries est faible, il y a très peu de risque.
  • Pour éviter l’oxydation des électrodes, il est important de vérifier le niveau d’électrolyte. L’oxydation peut se produire si le niveau d’électrolyte vient à baisser et laisse les électrodes en contact avec l’air. Elles s’oxydent alors et cette oxydation empêche définitivement le passage du courant.

La durée de vie de chaque accumulateur va dépendre de son utilisation, sa qualité et son entretien. Inévitablement, elles vont rendre l’âme, et ce bien avant tous les autres équipements du système autonome de la maison. Il est donc important d’opter pour des batteries de très bonne qualité afin de réduire les coûts de l’installation et aussi de limiter le problème rencontré en fin de vie : comment s’en débarrasser de la  manière la plus écologique ?

Le programme « Appel à RecyclerMD » récupère toutes les piles rechargeables de moins de 5 kg. Comme les batteries nécessaires pour le système autonome sont beaucoup plus imposantes que cela, pour l’instant le moyen suggéré est de rapporter la batterie au fournisseur. Aucune mesure ne semble pour actuellement être mise de l’avant au Québec, mais certains programmes devraient entrer en vigueur sous peu.

Bon pour la planète ?

Il est très important de disposer des piles à usage domestique de façon responsable. En effet, 50 à 70 % des métaux lourds retrouvés dans les sites d’enfouissements proviennent de ces piles [2]. La bonne gestion en fin de vie de ces produits engendrerait une diminution des risques de contamination de l’environnement. Cependant, l’industrie du recyclage des batteries au plomb est selon le rapport « World’s Worst Pollution Problems » l’industrie la plus dommageable pour la santé humaine.

 

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