eNAV SYSTEMS est un bureau d'études spécialisé en fourniture de solutions de propulsion et d'énergie verte pour les bateaux : moteurs électriques et hybrides, hydro-génération électrique, production photovoltaïque ou éolienne… Ils nous présentent l'intérêt technique de la batterie Lithium pour alimenter en électricité un bateau.
Quelques notions à appréhender
- Capacité ou « capacité de stockage »
C'est la quantité de courant qu'une batterie en parfait état (neuve) est capable de délivrer en étant chargée. Elle est exprimée en Ampère-heure (Ah) ou en kWh.
Dans la réalité, comme il est déconseillé d'aller au-delà d'un certain pourcentage de décharge, on ne peut utiliser qu'une partie de la capacité : 40 à 50% pour une batterie plomb, 80 % pour une Lithium. - Le courant de charge et décharge d'une batterie Lithium est exprimé en ampères. Cette capacité représente le courant que la batterie peut potentiellement débiter. L'unité est l'ampère A ou le C (rapport entre le courant de charge ou décharge / la capacité totale).
Une batterie de 100 Ah ayant un C1 pourra débiter 100 ampères. - La vitesse de décharge d'une batterie plomb a également un impact sur sa capacité : plus la décharge est rapide, plus la capacité réelle de la batterie devient faible. (ce n'est pas le cas d'une batterie Lithium).
Cette vitesse de décharge est indiquée sous la forme : C10, C20, C100…
Par exemple, une batterie de 70 Ah en C 100 aura réellement une capacité de 70 Ah si la décharge dure 100 heures pour passer à seulement 50 Ah en 10 heures. - Capacité de cyclages
Lorsqu'on parle d'un nombre de cycles de « charge-décharge », cela correspond au nombre de cycles à partir duquel la dégradation de la batterie est telle que son utilisation n'est plus possible pour l'usage initial.
Un cycle correspondant à l'équivalent d'une décharge et d'une charge complète d'une batterie. Une batterie déchargée à 50 % qui est rechargée à 100 % aura un demi-cycle. - LE DOD : Depth of charge
Est associé au nombre de cycle. C'est le taux de décharge pris en compte pour estimer le nombre de cycles (souvent 80 %). Ainsi, une batterie déchargée très souvent à 100 % aura une durée de vie moindre.
Les fabricants indiquent le nombre de cycles que la batterie peut réaliser avant de perdre une partie de sa capacité
- Les très bonnes batteries AGM peuvent atteindre 500 cycles (50 % DOD)
- Les très bonnes batteries LiFePO peuvent atteindre 3000 ou 4000 cycles (80 % DOD)
Avantages des batteries Lithium :
Capacité réelle
Les batteries Lithium supportent très bien les décharges profondes sans altération de leurs cellules (éviter tout de même d'aller au-delà de 80 %) de plus elles ont une courbe de décharge très plate qui les rend utilisables avec un état de charge faible. Ce n'est pas le cas des batteries plomb qui d'une part n'aiment pas les décharges profondes, mais en plus ne produisent plus assez de tension pour le fonctionnement normal des appareils au-delà de 50 % de décharge.
Au final, pour une plomb acide de 100 Ah, on ne peut exploiter que la moitié contre 80 % pour une Lithium.
Efficacité énergétique
Les batteries Lithium ont un rendement proche de 100 % contre 80 % pour une batterie plomb. 1 AH injecté dans la batterie lithium rendra 1 AH contre 0,8 Ah pour une batterie au plomb. (Cela a toute son importance pour des recharges par panneaux solaires, éoliens ou hydrogérération pour éviter de perdre 20 % de la production en chaleur)
Les batteries Lithium sont très légères et moins encombrantes (3X plus légères)
Un inconvénient : le prix
Les batteries Lithium sont en moyenne 3 fois plus chères à l'achat que de bonnes batteries plomb, mais le coût peut être amorti sur la durée. Prenons l'exemple de 2 batteries 12 V 100 Ah en AGM et en Lithium et comparons les spécifications.
Domaines d'application
Au regard des spécifications comparatives, nous préconisons le Lithium pour ceux qui privilégient le poids (course ou bateaux légers craignant les surcharges) ou qui veulent un maximum de capacité dans un minimum de place. Elles sont aussi recommandées pour les utilisations intensives (vie à bord, longs voyages, motorisation électrique, gros consommateurs à bord) où le nombre de cycles important amortira le coût d'achat.
Les batteries Lithium sont-elles dangereuses ?
Tous les moyens de stockage de l'énergie sont potentiellement dangereux que ce soient les batteries au plomb, les piles à combustibles, les bouteilles de gaz ou les réservoirs d'essence ou de gasoil. Dans tous les cas, des précautions et procédures sont à prévoir. Il ne viendrait pas à l'idée de stocker un bidon d'essence dans un local non ventilé à proximité d'une source de chaleur…
Qu'est-ce que l'emballement thermique des batteries Lithium ion ?
C'est le phénomène craint dans la technologie Lithium. Il s'agit d'une réaction chimique des cellules en cas d'utilisation inappropriée (surcharge, exposition au feu, perçage…). Il en résulte un dégagement de chaleur qui peut dégénérer en feu difficilement maitrisable ou une explosion.
Il convient de relativiser, car :
- Ce phénomène existe aussi avec toutes les technologies de stockage (essence, gaz et même gasoil)
- Il est facilement évitable avec une gestion appropriée avec notamment un bon BMS (Batterie Management System)
- Il dépend beaucoup des technologies utilisées
En effet, le therme de batteries Lithium ion regroupe en fait plusieurs types de technologies dont les caractéristiques sont très différentes :
- LCO : Lithium Cobalt Oxide
- NCA : Nickel Cobalt Aluminium
- NMC : Nickel manganèse Cobalt
- LiFePO ou LFP : Lithium Fer Phosphate
- LTO : Lithium Titanate Oxyde
- …
Le terme "Lithium ion" n'a donc pas de signification précise et couvre souvent les batteries LCO, NNCA ou NMC en opposition au LiFePO.
Les batteries LCO, NCA sont les chimies les plus sensibles, les NMC sont beaucoup moins sujettes à ce risque et les LiFePO ont un risque quasiment nul.
Quelle que soit la chimie choisie, l'emballement thermique ne peut pas se produire avec des cellules de bonne qualité et un BMS adapté c'est-à-dire qui est capable de monitorer les paramètres à surveiller (température des cellules, voltage, courant de charge et de décharge, équilibrage des cellules et du parc de batteries…), les communiquer à l'utilisateur et surtout de déclencher les mesures correctives de manière automatique : Couper le BMS en ouvrant le contacteur ou dans le cas d'une motorisation électrique par exemple comme chez Oceanvolt, réduire la consommation ou la charge.
En plus du BMS, il faut s'assurer que les producteurs (panneaux solaires, chargeurs, hydrogénérateurs, groupes électrogènes, alternateurs…) respectent bien les indications données par le fabricant de batteries. (tout comme pour une batterie plomb).
Les protections mécaniques
Dans une bonne batterie Lithium, les cellules sont enfermées dans des revêtements étanches qui sont eux-mêmes enfermés dans un boitier étanche et résistant aux chocs, vibrations, percements…
Le risque avec les batteries Lithium produites par un fabricant sérieux avec une installation effectuée dans les règles de l'art est donc infime. Par ailleurs les normes en vigueur CE / RoHS, UN38.3… sont drastiques. De nombreux tests en laboratoire (percement, chaleur, chocs, vibrations…) sont nécessaires avant la mise sur le marché.
Les idées reçues
Le dégazage : Contrairement à une idée reçue et aux batteries aux plombs, il n'y a pas de risque de dégazages dangereux avec les batteries Lithium (sauf en cas de température extrême), et encore moins de risques de projection d'acide.
