pourquoi a-t-on choisi la batterie au lithium ?

pourquoi a-t-on choisi la batterie au lithium ?

 

stress batterie

A la lumière de mon dernier post concernant l'utilisation du concept DC ou hybride pour l'alimentation électrique, il m'est venu à l'esprit que le système aurait aussi pu utiliser des batteries AGM/Gel monobloc ou bien un jeu de batteries gel 2 volts longue durée. Dans ce cas, pourquoi a-t-on choisi le lithium ? J'espère que cet article contribuera à mettre en lumière ce processus de décision.

Sur tous les marchés ces dernières années, les batteries au lithium-ion ont gagné en traction. Pour les non-initiés, il est facile de rejeter le Lithium-ion comme une alternative coûteuse aux technologies VRLA (valve regulated lead acid) telles que l'AGM (absorbed glass mat), si l'on se contente de regarder le classement amph/heure (Ah). C'était la première erreur que j'ai faite il y a quelques années. En creusant davantage, il m'est apparu clairement qu'il y a beaucoup plus que les caractéristiques Ah à prendre en compte pour choisir les meilleures batteries pour votre application.

Dans le monde marin , le choix de nos jours, surtout avec des charges plus élevées, se résume souvent à une simple question de Lithium-ion contre AGM. Dans les comparaisons ci-dessous, alors que les batteries au gel sont montrées, elles ont une capacité effective plus faible à des courants de décharge élevés.  Ils coûtent à peu près le même prix que les AGA, en supposant que les deux types sont monoblocs, par opposition aux cellules gel de 2 V à longue durée de vie. Les batteries immergées ou les batteries au plomb-acide flooded (FLA) ne sont pas prises en compte pour cette comparaison, principalement pour des raisons d'entretien et de sécurité dans le milieu marin. Bien entendu, cela peut ne pas s'appliquer à d'autres marchés.

Énergie utilisable et coût

Il est généralement admis que la profondeur de décharge (DOD) la plus économique et la plus pratique pour une batterie AGM est de 50%. Pour le lithium-fer-phosphate de lithium (LiFePO4 ou LFP) qui est le plus sûr des types de batteries Li-ion classiques, 80% DOD est utilisé.

Comment cela se passe-t-il dans le monde réel ? Prenons deux exemples de batteries Victron 24V et comparons l'énergie utilisable pour un petit yacht :

    1 x Victron Lithium-ion 24 V 180 Ah

La tension nominale de la cellule LFP est de 3,3 V. Cette batterie LFP de 26,4 V se compose de 8 cellules connectées en série avec un courant de 180 Ah. L'énergie disponible est de 26,4 x 180 = 4. 75 kWh. L'énergie utilisable est de 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.

    2 x Victron AGM 12 V 220 Ah

La tension nominale de la cellule plomb-acide est de 2,0 V/cellule. Chaque batterie monobloc 12 V se compose de 6 cellules connectées en série avec un courant de 220 Ah. En connectant 2 batteries 12 V 220 Ah en série pour donner 24 V et 220 Ah, l'énergie disponible est de 24,0 x 220 = 5,28 kWh. L'énergie utilisable est de 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

D'où la question de savoir quelle est la cote Ah des batteries AGM équivalente à l'énergie utilisable de 3,8 kWh de la batterie au lithium-ion ? Pour obtenir 3,8 kWh d'énergie utilisable à partir d'une batterie AGM, il faudrait qu'elle soit deux fois plus grande au départ en raison de la règle d'économie de 50 % de DOD, soit 3,8 x 2 = 7,6 kWh. A 24V cela signifierait 7,600/24 ce qui nous donne une capacité de batterie de 316.66 Ah, ce qui se rapproche du double de la capacité nominale du Lithium-ion 24 V 180 Ah. Notez que ceci ne tient pas compte du vieillissement des batteries, du déclassement de la température ou de l'effet de charges plus élevées. Pour les batteries AGM, des charges plus élevées ont un effet plus important que pour le lithium. Voir la section - Énergie utilisable : effet sur la capacité de décharge et la tension avec des charges différentes, ci-dessous. Sur la base de tout cela, il est raisonnable de dire qu'une batterie AGM devra être deux fois plus puissante qu'une batterie au lithium.

Qu'en est-il du prix ? En utilisant la liste de prix Victron, nous voyons qu'un 12V 220 Ah AGM est de 470 € HTVA ou 2.136 €/ Ah. Pour 316,66 Ah, c'est l'équivalent de 676,50 € à 12 V ou de 1 353 € à 24 V. Le 24V 180 Ah Lithium est de 4 704 € pour la même quantité d'énergie utilisable et est donc 4 704/1 353 = 3,48 fois plus cher (ou moins si l'on compare le facteur 2 mentionné ci-dessus).

Sur cette base, vous pourriez conclure immédiatement que le lithium n'est pas rentable, mais l'énergie utilisable par rapport au prix n'est qu'une partie de l'histoire.

batterie lium 

Poids de l'appareil

La plupart des puissances nominales des batteries, quel que soit leur type, sont spécifiées au tarif de 20 heures. C'était bien à l'époque des charges légères, mais comme le nombre de charges et la taille des charges ont augmenté avec le temps, nous devons également examiner les charges à court terme élevées, à moyen et à long terme pour différents types d'équipement. Cela peut signifier un gros bloc de batteries. Dans les cas extrêmes, la climatisation peut fonctionner pendant 10 heures avec une puissance de 10 kW, comparativement à une lampe à DEL qui utilise 100 watts pendant cette période. L'équilibre entre ces différentes exigences et toutes les charges intermédiaires devient essentiel. Avec un gros paquet comme illustré ci-dessous, il devient clair à quel point l'acide de plomb lourd peut être comparé au lithium. 1360/336 = 4 fois plus lourd.

 

poids de la batterie

 

Poids de l'appareil

Énergie utilisable : effet sur la capacité de décharge et la tension avec des charges différentes

Comme indiqué précédemment, la plupart des batteries Ah sont cotées au taux de 20 heures. Dans l'image ci-dessous pour la batterie au plomb-acide, s'il s'agissait d'une batterie de 100 Ah au taux de 20 heures, vous pouvez voir que 0,05C signifie 100 x 0,05 = 5 A pendant 20 heures = 100 Ah disponibles jusqu'à ce que la batterie soit totalement déchargée. Comme nous n'utilisons que 50% de la batterie, nous pouvons voir que la tension sera toujours de 24 V à 50% DOD pour une charge de 5 Ampères sur 10 heures, et donc nous aurions consommé 50 Ah.

Augmenter la consommation de courant (comme le montrent les graphiques ci-dessous) peut affecter l'énergie utilisable disponible et la tension de la batterie. Ce rétrécissement effectif de la notation est connu sous le nom d'effet Peukert. Avec l'acide de plomb, plus la charge est élevée, plus vous devez augmenter la capacité en Ah de votre batterie pour aider à l'atténuer. Avec du lithium cependant, une charge encore 10 fois plus grande à 0,5C peut encore avoir une tension aux bornes de 24V à 80% DOD/20% SOC, sans pour autant augmenter la puissance de la batterie. C'est ce qui rend le lithium particulièrement adapté aux charges élevées.

Remarque : Les graphiques ci-dessous illustrent la capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes. Habituellement, vous verrez les graphiques de l'AGA sous forme de temps de décharge en fonction de la tension aux bornes. La raison pour laquelle nous avons tracé la capacité de décharge (au lieu du temps de décharge) est que le lithium a une tension terminale plus élevée et plus stable que l'AGM, donc tracer les courbes avec la capacité de décharge en tête donne une comparaison plus précise des propriétés chimiques, montrant que le lithium augmente l'énergie utilisable à des charges plus élevées en raison de tensions terminales plus élevées et plus stables. Bien que vous puissiez considérer cela comme une zone grise (en partie aussi en raison de la résistance interne variable des batteries), c'est probablement la seule véritable façon de comparer les technologies. C'est ce qu'illustrent les images ci-dessous.

 

Lithium - Capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes

Lithium - Capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes

 

 

Lithium - Capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes

 Lithium - Capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes

 

Lithium

Plomb acide - Capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes

lithium capacité

 

Plomb_Acide

reutilisation lithium

 

 

Énergie utilisable (plomb-acide)

utilisation batterie

 

 

Acide_de_plomb_énergétique_utilisable

lithium

 

Énergie utilisable (lithium)

Beaucoup de ce que nous avons vu dans le processus de décharge est également vrai dans le processus inverse de la facturation. Ne vous laissez pas décourager par les grandes tailles de générateurs montrées ci-dessous, car ce blog ne présente qu'un large éventail de scénarios. Les solutions sont évolutives en principe. Comparons d'abord l'efficacité de charge de l'acide de plomb à gauche au lithium à droite, pendant le cycle de charge complet. Charger les 20% restants d'une batterie au plomb-acide est toujours lent et inefficace par rapport au Lithium. Ceci est confirmé par les coûts de carburant (ou toute autre source de charge que vous utilisez) dans les images plus bas. Notez également la différence de temps de charge.

Note : Taux de frais

Le taux de charge recommandé pour les batteries AGM de grande taille est de 0,2C, soit 120A pour une batterie de 600A composée de blocs de 200Ah en parallèle.

Des taux de charge plus élevés réchaufferont la batterie (la compensation de température, la détection de tension et une bonne ventilation sont absolument nécessaires dans ce cas pour éviter l'emballement thermique), et en raison de la résistance interne, la tension d'absorption sera atteinte lorsque la batterie est chargée à seulement 60% ou moins, résultant en un temps d'absorption plus long nécessaire pour charger complètement la batterie.

Un taux de charge élevé ne réduira donc pas considérablement le temps de charge d'une batterie au plomb-acide.

Par comparaison, une batterie au lithium de 200 Ah peut être chargée jusqu'à 500 A, mais le taux de charge recommandé pour une durée de vie maximale est de 100 A (0,5 C) ou moins. Encore une fois, cela montre qu'aussi bien en décharge qu'en charge, le lithium est supérieur.

Selon la façon dont vous traitez une batterie, vous pouvez raisonnablement vous attendre à ce que la gamme de cycles ci-dessous soit respectée, à condition que le DOD et les batteries soient de taille appropriée pour les charges. La température de fonctionnement entre également en ligne de compte. Plus la batterie est chaude, moins elle durera longtemps. La capacité de la batterie diminue également avec la température ambiante. La base de référence pour les variations dues à la température est de 25 degrés centigrades.

Conclusions

Il est clair que les piles AGM devront être remplacées plus souvent que les piles au lithium. Il vaut la peine de garder cela à l'esprit, car cela implique des coûts de temps, d'installation et de transport, ce qui annule encore davantage le coût d'investissement initial plus élevé du lithium, de même que le coût inférieur de la recharge du lithium.

Quel que soit le choix de batterie que vous faites, il y a aussi un coût en capital et un risque technologique au départ. Si vous êtes en mesure d'avoir le capital nécessaire pour couvrir les coûts initiaux plus élevés du lithium, vous constaterez peut-être que la vie est plus facile et que le choix est rentable à long terme. Cela dépend en grande partie des connaissances de l'opérateur et de la façon dont il traite un système de batterie. Il y a un vieux dicton qui dit que les piles ne meurent pas, elles sont tuées. Les bonnes pratiques de gestion sont votre assurance contre les défaillances précoces, quelle que soit la technologie utilisée.

Lithium-ion vs AGM ? C'est à vous de choisir. Personnellement, je pense que le moment est venu de considérer le lithium dans l'industrie maritime comme une solution rentable, fiable et hautement performante. La semaine dernière (ce n'est que par curiosité que vous comprenez), je suis allé faire un essai routier dans un Tesla modèle S au lithium-ion - et comme nous le savons, aucun fabricant de véhicules électriques qui se respecte n'utiliserait encore aujourd'hui des batteries à base de plomb acide. Il est temps que l'industrie maritime rattrape son retard ?

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Commentaires

  • Ernestina - October 18, 2019

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