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Les batteries

Les batteries

Les batteries permettent de stocker le surplus d'électricité produit par les systèmes photovoltaïques lorsque la production dépasse la demande, et de la restituer lorsque la demande dépasse la production. La production de milieu de journée peut ainsi être stockée et restituée en fin de journée ou dans la soirée lorsque la demande en électricité est plus importante. Cela permet d'augmenter le taux d'autoconsommation d'un système photovoltaïque, mais ne permet pour autant que rarement d'atteindre une autoconsommation totale de la production.

Les technologies de stockage

Définitions

Un actif de stockage de l'électricité permet de capter de l'électricité à un instant t, de la garder, et de la restituer plus tard moyennant une certaine perte lié au rendement du système. Il peut être mécanique (ex: station de transfert d'énergie par pompage, volant d'inertie),  électrochimique (ex: batteries au plomb, batterie lithium-ion...) ou même se faire sous forme d'hydrogène.

Etant donné les caractéristiques propres à chaque technologie de stockage (puissance, capacité énergétique, taux de décharge, réactivité), les batteries semblent répondre au mieux aux besoins des producteurs photovoltaïques.

Les batteries d'accumulateurs, souvent dénommées simplement batteries, sont des regroupements d'accumulateurs électrochimiques connectés en série ou en parallèle afin d'obtenir les niveaux de tension et d'intensité désirés.

Technologies

Il existe différentes technologies de batteries:

  • les batteries au plomb sont par exemple une technologie mature et peu chère, mais avec une faible durée de vie et une faible densité énergétique,
  • les batteries au nickel ont une durée de vie plus importante mais subissent des niveaux d'autodécharge très important,
  • les batteries lithium-ion ont une grande densité énergétique, une durée de vie conséquente et un niveau d'autodécharge relativement faible ; cette technologie étant encore jeune, son prix est encore assez élevé, mais est voué à diminuer.

Les batteries au plomb ont longtemps été privilégiées pour un couplage avec les systèmes photovoltaïques, notamment dans le cas des sites isolés, mais elles ont été supplantées par les batteries lithium-ion ces dernières années.

Caractéristiques moyennes des différentes technologies de batterie en 2019 (Crédit : Programme PACTE)
  Plomb Nickel-Cadmium Nickel-Métal_hydrure Lithium-Ion
Tension cellule 2,0V 1,2 V 1,2 V 3,6 à 3,7V
Energie spécifique 25-50 Wh/kg 30-60 Wh/kg 50-90 Wh/kg 100-230 Wh/kg
Cycles 200-500 1 000-1 500 1 000 500-3 000
Domaine de température 0°C à 50°C -30°C à 50°C -20°C à 50°C -20°C à 50°C
Autodécharge ~5 %/mois ~15 %/mois ~25%/mois ~2 %/mois
Durée de vie calendaire 5 ans 10 ans 5-10 ans 5-15 ans
Prix kWh (Pb base 100) 100 300 350 300 à 350
Temps de charge standard 10 h 5 h 3-5 h 3

L'autodécharge d'une batterie est la réduction naturelle et progressive de son taux de charge lorsqu'elle n'est pas utilisée. L'autodécharge se produit en particulier lorsque la batterie n'est pas sollicitée pendant une période prolongée.

systèmes photovoltaïques avec batterie

Rôle de la batterie

Dans le cadre d'un projet photovoltaïque en autoconsommation totale ou partielle, l'installation d'une batterie peut permettre d'augmenter le taux d'autoconsommation (part de l'électricité photovoltaïque produite qui est directement consommée sur place). Lorsque la production est supérieure à la consommation, l'électricité excédentaire est stockée dans la batterie; elle est ensuite déstockée quand la consommation est supérieure à la production.

Le gain apporté par une batterie peut être évalué en phase de faisabilité en comparant la courbe de charge du bâtiment à un pas de temps horaire ou infra-horaire à des simulations de production du système PV. Des logiciels permettent même d'optimiser le dimensionnement de la batterie en fonction d'objectifs précis.

Dans le cas où l'installation bénéficie d'un contrat d'obligation d'achat, il est stipulé qu'un dispositif technique doit être installé afin d'assurer que la batterie est uniquement chargée à partir d'électricité provenant du système PV.

Schéma stockage onduleur hybride - (Source - guide PACTE).pngSchéma type d'une installation avec stockage raccordé sur un onduleur hybride (Crédit : Programme PACTE)

Evaluation technique

Dans un objectif de maximisation du taux d'autoconsommation d'un système PV, la plus-value apportée par la batterie est liée à la corrélation existant entre la consommation du bâtiment et la production photovoltaïque. Plus la corrélation entre consommation et production est faible plus le gain apporté par une batterie est grand.

Evaluation économique

En permettant d'augmenter le taux d'autoconsommation d'un système PV, la batterie permet de faire des économies sur la facture d'électricité. Cependant, dans le cadre d'une opération en autoconsommation avec vente du surplus, la consommation supplémentaire d'électricité produite sur place est faite au détriment de la vente d'électricité. Le gain économique généré par une batterie dépend donc directement du gain technique qu'elle apporte en terme d'augmentation de l'autoconsommation.

Face à cela, les coûts supplémentaires induits par l'installation d'une batterie sont aujourd'hui très importants. Cela est principalement lié au coût du matériel dans un marché français encore émergent.

Il est rarement rentable d'installer un système de stockage pour une opération d'autoconsommation en France.

Protections

Un certain nombre d'organes de protections doivent être mis en place pour les systèmes PV avec batterie. Les protections spécifiques aux systèmes avec stockage sont listées dans la norme expérimentale XP C 15-712-3.

Schéma unifilaire autoconso résidentielle - (Source - Guide PACTE).pngExemple de schéma unifilaire en autoconsommation résidentielle avec stockage, avec onduleur avec isolation galvanique et sans alimentation secourue (Crédit : Programme PACTE)

Le cas Allemand

Fin 2018, l'Allemagne comptait plus de 120 000 installations photovoltaïques combinées avec une batterie. En France, ce chiffre ne dépassait pas les quelques milliers. Pourquoi une telle différence entre les deux marchés ?

Cela réside essentiellement dans l'équilibre économique de ce type de projet. Pour un particulier, avec un contrat de fourniture d'électricité de 6 kVA et possédant un système photovoltaïque de 3 kWc.

En France, ce particulier achète son électricité aux alentours de 15 c€/kWh, et peut vendre sa production photovoltaïque un peu plus de 18 c€/kWh (en cas de contrat d'achat en vente de la totalité). Il n'y a pas d'incitation économique à auto-consommer sa production photovoltaïque.

En Allemagne, ce même particulier dépense en moyenne 30 c€/kWh d'électricité consommé, soit presque le double qu'en France, et n'est rémunéré qu'un peu plus de 10 c€/kWh photovoltaïque produit. Il y a une forte incitation économique à auto-consommer l'énergie produite.

Impact écologique

Les batteries lithium-ion étant les plus installées aujourd'hui, ce sont elles dont l'impact écologique est analysé ici. L'analyse de cycle de vie d'un système photovoltaïque est quant à elle détaillée dans l'article "Impact environnemental de la fabrication".

La majorité du lithium mondial provient du "Triangle du Lithium", répartie sur les territoires argentins, boliviens et chiliens. Son extraction nécessite un très gros volume d'eau et peut être source de pollution pour l'environnement alentour avec la libération possible de produits chimiques. L'utilisation de cobalt et de nickel, qui sont deux métaux dont l'extraction est toxique, alourdit l'impact écologique de ces batteries au lithium. En 2017, 60% du cobalt utilisé dans le monde provenait de mines en République Démocratique du Congo au sein desquelles Amnesty International et African Resources Watch (Afrewatch) ont identifié des atteintes aux droits humains et du travail d'enfants.

Le coût écologique d'une batterie stationnaire peut cependant être diminué en utilisant par exemple des batteries usagées de véhicules électriques qui ne sont plus assez performantes pour de la mobilité.

Contrairement aux batteries au plomb, il n'existe pas de filière de recyclage des batteries lithium-ion. En fin de vie, les batteries peuvent donc être source de pollution tant qu'une filière de recyclage adaptée n'est pas mise en place.

Finalement, l'impact environnemental d'un projet photovoltaïque, initialement positif, peut se trouver dégradé par l'ajout d'une batterie.

Dernière Mise à jour : 13/02/2020

Les batteries

Les batteries

Les batteries permettent de stocker le surplus d'électricité produit par les systèmes photovoltaïques lorsque la production dépasse la demande, et de la restituer lorsque la demande dépasse la production. La production de milieu de journée peut ainsi être stockée et restituée en fin de journée ou dans la soirée lorsque la demande en électricité est plus importante. Cela permet d'augmenter le taux d'autoconsommation d'un système photovoltaïque, mais ne permet pour autant que rarement d'atteindre une autoconsommation totale de la production.

Les technologies de stockage

Définitions

Un actif de stockage de l'électricité permet de capter de l'électricité à un instant t, de la garder, et de la restituer plus tard moyennant une certaine perte lié au rendement du système. Il peut être mécanique (ex: station de transfert d'énergie par pompage, volant d'inertie),  électrochimique (ex: batteries au plomb, batterie lithium-ion...) ou même se faire sous forme d'hydrogène.

Etant donné les caractéristiques propres à chaque technologie de stockage (puissance, capacité énergétique, taux de décharge, réactivité), les batteries semblent répondre au mieux aux besoins des producteurs photovoltaïques.

Les batteries d'accumulateurs, souvent dénommées simplement batteries, sont des regroupements d'accumulateurs électrochimiques connectés en série ou en parallèle afin d'obtenir les niveaux de tension et d'intensité désirés.

Technologies

Il existe différentes technologies de batteries:

  • les batteries au plomb sont par exemple une technologie mature et peu chère, mais avec une faible durée de vie et une faible densité énergétique,
  • les batteries au nickel ont une durée de vie plus importante mais subissent des niveaux d'autodécharge très important,
  • les batteries lithium-ion ont une grande densité énergétique, une durée de vie conséquente et un niveau d'autodécharge relativement faible ; cette technologie étant encore jeune, son prix est encore assez élevé, mais est voué à diminuer.

Les batteries au plomb ont longtemps été privilégiées pour un couplage avec les systèmes photovoltaïques, notamment dans le cas des sites isolés, mais elles ont été supplantées par les batteries lithium-ion ces dernières années.

Caractéristiques moyennes des différentes technologies de batterie en 2019 (Crédit : Programme PACTE)
  Plomb Nickel-Cadmium Nickel-Métal_hydrure Lithium-Ion
Tension cellule 2,0V 1,2 V 1,2 V 3,6 à 3,7V
Energie spécifique 25-50 Wh/kg 30-60 Wh/kg 50-90 Wh/kg 100-230 Wh/kg
Cycles 200-500 1 000-1 500 1 000 500-3 000
Domaine de température 0°C à 50°C -30°C à 50°C -20°C à 50°C -20°C à 50°C
Autodécharge ~5 %/mois ~15 %/mois ~25%/mois ~2 %/mois
Durée de vie calendaire 5 ans 10 ans 5-10 ans 5-15 ans
Prix kWh (Pb base 100) 100 300 350 300 à 350
Temps de charge standard 10 h 5 h 3-5 h 3

L'autodécharge d'une batterie est la réduction naturelle et progressive de son taux de charge lorsqu'elle n'est pas utilisée. L'autodécharge se produit en particulier lorsque la batterie n'est pas sollicitée pendant une période prolongée.

systèmes photovoltaïques avec batterie

Rôle de la batterie

Dans le cadre d'un projet photovoltaïque en autoconsommation totale ou partielle, l'installation d'une batterie peut permettre d'augmenter le taux d'autoconsommation (part de l'électricité photovoltaïque produite qui est directement consommée sur place). Lorsque la production est supérieure à la consommation, l'électricité excédentaire est stockée dans la batterie; elle est ensuite déstockée quand la consommation est supérieure à la production.

Le gain apporté par une batterie peut être évalué en phase de faisabilité en comparant la courbe de charge du bâtiment à un pas de temps horaire ou infra-horaire à des simulations de production du système PV. Des logiciels permettent même d'optimiser le dimensionnement de la batterie en fonction d'objectifs précis.

Dans le cas où l'installation bénéficie d'un contrat d'obligation d'achat, il est stipulé qu'un dispositif technique doit être installé afin d'assurer que la batterie est uniquement chargée à partir d'électricité provenant du système PV.

Schéma stockage onduleur hybride - (Source - guide PACTE).pngSchéma type d'une installation avec stockage raccordé sur un onduleur hybride (Crédit : Programme PACTE)

Evaluation technique

Dans un objectif de maximisation du taux d'autoconsommation d'un système PV, la plus-value apportée par la batterie est liée à la corrélation existant entre la consommation du bâtiment et la production photovoltaïque. Plus la corrélation entre consommation et production est faible plus le gain apporté par une batterie est grand.

Evaluation économique

En permettant d'augmenter le taux d'autoconsommation d'un système PV, la batterie permet de faire des économies sur la facture d'électricité. Cependant, dans le cadre d'une opération en autoconsommation avec vente du surplus, la consommation supplémentaire d'électricité produite sur place est faite au détriment de la vente d'électricité. Le gain économique généré par une batterie dépend donc directement du gain technique qu'elle apporte en terme d'augmentation de l'autoconsommation.

Face à cela, les coûts supplémentaires induits par l'installation d'une batterie sont aujourd'hui très importants. Cela est principalement lié au coût du matériel dans un marché français encore émergent.

Il est rarement rentable d'installer un système de stockage pour une opération d'autoconsommation en France.

Protections

Un certain nombre d'organes de protections doivent être mis en place pour les systèmes PV avec batterie. Les protections spécifiques aux systèmes avec stockage sont listées dans la norme expérimentale XP C 15-712-3.

Schéma unifilaire autoconso résidentielle - (Source - Guide PACTE).pngExemple de schéma unifilaire en autoconsommation résidentielle avec stockage, avec onduleur avec isolation galvanique et sans alimentation secourue (Crédit : Programme PACTE)

Le cas Allemand

Fin 2018, l'Allemagne comptait plus de 120 000 installations photovoltaïques combinées avec une batterie. En France, ce chiffre ne dépassait pas les quelques milliers. Pourquoi une telle différence entre les deux marchés ?

Cela réside essentiellement dans l'équilibre économique de ce type de projet. Pour un particulier, avec un contrat de fourniture d'électricité de 6 kVA et possédant un système photovoltaïque de 3 kWc.

En France, ce particulier achète son électricité aux alentours de 15 c€/kWh, et peut vendre sa production photovoltaïque un peu plus de 18 c€/kWh (en cas de contrat d'achat en vente de la totalité). Il n'y a pas d'incitation économique à auto-consommer sa production photovoltaïque.

En Allemagne, ce même particulier dépense en moyenne 30 c€/kWh d'électricité consommé, soit presque le double qu'en France, et n'est rémunéré qu'un peu plus de 10 c€/kWh photovoltaïque produit. Il y a une forte incitation économique à auto-consommer l'énergie produite.

Impact écologique

Les batteries lithium-ion étant les plus installées aujourd'hui, ce sont elles dont l'impact écologique est analysé ici. L'analyse de cycle de vie d'un système photovoltaïque est quant à elle détaillée dans l'article "Impact environnemental de la fabrication".

La majorité du lithium mondial provient du "Triangle du Lithium", répartie sur les territoires argentins, boliviens et chiliens. Son extraction nécessite un très gros volume d'eau et peut être source de pollution pour l'environnement alentour avec la libération possible de produits chimiques. L'utilisation de cobalt et de nickel, qui sont deux métaux dont l'extraction est toxique, alourdit l'impact écologique de ces batteries au lithium. En 2017, 60% du cobalt utilisé dans le monde provenait de mines en République Démocratique du Congo au sein desquelles Amnesty International et African Resources Watch (Afrewatch) ont identifié des atteintes aux droits humains et du travail d'enfants.

Le coût écologique d'une batterie stationnaire peut cependant être diminué en utilisant par exemple des batteries usagées de véhicules électriques qui ne sont plus assez performantes pour de la mobilité.

Contrairement aux batteries au plomb, il n'existe pas de filière de recyclage des batteries lithium-ion. En fin de vie, les batteries peuvent donc être source de pollution tant qu'une filière de recyclage adaptée n'est pas mise en place.

Finalement, l'impact environnemental d'un projet photovoltaïque, initialement positif, peut se trouver dégradé par l'ajout d'une batterie.

Dernière Mise à jour : 13/02/2020

Publications


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