« Aujourd’hui, les niveaux de population dépendent entièrement des carburants fossiles et de l’agriculture industrielle. »
Joseph Tainter

Batteries Nickel-Fer (NiFe), la foire aux questions :

Dans un souci de fournir l’information la plus précise et la plus claire à nos clients sur les batteries  Nickel-Fer, nous mettons à disposition une foire aux questions à orientation technique, tout en étant la plus exhaustive possible. Nous nous appuyons sur deux sources : notre propre expérience en tant qu’utilisateurs quotidiens de batteries Nickel-Fer, et l’abondante bibliographie technique disponible (dont vous trouverez les liens dans la rubrique “Ressources”). L’approfondissement des connaissances techniques sur le sujet des batteries au Nickel-Fer peut vite technique, c’est la raison pour laquelle nous avons aussi essayé de la mettre à la portée du profane. Si vous trouvez que nous n’avons pas assez fait d’efforts dans ce sens, dites-le nous !

Installation, configuration & conseils techniques

Combien de temps mes batteries dureront-elles vraiment ?

La question de la durée de vie pour les batteries  ne peut se donner arbitrairement, car elle doit s’exprimer à l’aide de deux concepts : la durée de vie intrinsèque du produit (ou calendar life, pour les batteries) qui correspond à la longévité du produit, qu’on l’utilise ou non, et la durée de vie en terme de rendement  (ou “cycle life pour les batteries), qui va décroître inéluctablement au fil des années. Aucune technologie ne peut en effet s’affranchir des principes de la thermodynamique ! Notons au passage que la capacité d’une batterie s’exprime en SOH (“state of health“). Une batterie Ni-Fe avec un SOH de 100% signifie que sa capacité n’a subie aucune dégradation. Un SOH de 75% signifie que la batterie ne délivre plus que 75% de sa capacité initiale.

Prenons l’exemple d’un panneaux solaire d’une marque X garantissant une puissance linéaire de 85% au bout de 30 ans. En d’autres termes, il est annoncé ici une dégradation linéaire du rendement annuel d’environ 0.35%. Le panneaux au continuera bien évidemment de produire de l’électricité au delà des 30 ans annoncés par le constructeur, mais au delà de ce seuil, nul ne sais si le panneaux ne subira pas une panne soudaine (lié à la mise en défaut de l’une de ses jonctions par exemple inter-cellules), ou continuera à voir tranquillement sa performance décroître encore pendant 30 ans.

Le même raisonnement peut-être adopté pour considérer la longévité d’un parc de perma-batteries Ni-Fe. L’expérience de durée de vie partagées à travers les différents témoignages, supportées par un track-record s’étendant sur plusieurs décennies (contrairement aux technologies de pointes à base de li-ion, ou les données de longévité supposées n’ont été extrapolées qu’à partir de simulations en laboratoire), affirment que certaines batteries fabriquées par les manufactures d’Edison du début du siècle dernier sont toujours en service. A ce titre, il semblerait, selon les témoignages, que plusieurs parcs de batteries Ni-Fe disséminées aux quatres coins du globe, seraient toujours en service, et ce depuis plus de 60 ans. Il y’a par exemple un article datant de 2000, publié dans la revue américaine Home Power, qui relate l’utilisation de batteries Ni-Fe reconditionnées datant de plus de 30 ans, dans le cadre d’un système off-grid mis en service à Chicago par John Berton. (Accéder à l’article du Home Power magazine de 2000)

Nous préférons cependant nous appuyer sur des données techniques moins anecdotiques. Les calculs pour déterminer au plus juste la durée de vie d’une batterie en terme de cycles et de vie calendaire utilisent trois variables standardisées : la température de fonctionnement, la profondeur de décharge journalière (DoD), et l’intensité (C) moyenne appelée durant la décharge. En d’autres termes, une batterie atteindra sa durée de vie optimale si l’utilisateur final l’utiliserait à température constante toute l’année (environ 25°), parviendrait à se maintenir à un DoD le plus faible possible (imaginons 20%), tout en ayant une demande de courant relativement faible. Il apparaît dés lors clair que ces conditions ne sont jamais réunies en utilisations réelle, comme par exemple pour un site off-grid. Ainsi, si un parc de batteries Ni-Fe peut aisément atteindre, dans les conditions de fonctionnement idéales citées précédemment, une longévité de 40 ans voir plus, (en admettant un changement d’électrolyte tout les 10 ans), à l’inverse une utilisation extrême en environnement très chaud, humide, avec des appels d’intensité élevées, et une profondeur de cyclage trés importante (imaginons plus de 70%) ramènera la durée de vie à environ 15 ans. Nous conseillons donc à nos clients, afin de pérenniser le plus possible leur batteries, de dimensionner la capacité de manière à ne pas dépasser un DoD de 20-30% (ce qui est recommandé pour les parcs de batteries au plomb). Le graphique ci-contre démontre l’impact du DoD sur la durée de vie en cycles des perma-batteries :

En ayant un utilisateur cyclant ses perma-batteries à 20% (c’est à dire en puisant par exemple 1 kWh quotidiennement sur un parc de 5 kWh), la durée de vie en cycles atteindra environ 12000 cycles (avec un SOH résiduel de 70%). En bref, l’utilisateur pourra bénéficier au bout de 32 ans d’utilisation quotidienne (12000 / 365 jours) d’encore 70% de la capacité de ses perma-batteries (ce qui correspond au seuil “EOL”, “end of life”, pour les batteries). Mais cela ne veut pas dire qu’il ne lui restera pas encore des années d’utilisation après ce seuil franchi !

En effet, en conservant le même DoD, on pourrait dans l’absolu atteindre 22000 cycles, soit 60 ans, ce qui est corroboré par le recul historique de l’utilisation des batteries Ni-Fe, mais alors le SOH baissera à 50% de la capacité initiale, ce qui commencera à gréver sérieusement la capacité du parc.

Revenons aux bases. Comment fonctionne une batterie ?

Toutes les batteries dites “secondaires” ou “rechargeables” (contrairement aux batteries dites “primaires” jetables ou les réactions électrochimiques sont irréversibles) sont composées de deux plaques (ou électrodes) : une positive, capable de céder ou de capter les éléctrons, et une négative, capable aussi de céder ou de capter les électrons. On appelle cela un couple  “redox” (ou couple oxydant-réducteur). Parmis les couples redox utilisés, on retrouve évidemment le plomb/oxyde de plomb, le carbone/phosphate de fer lithié (LifePO4), l’oxyde de nickel/oxyde de fer (Ni-Fe). Le courant se crée par le mouvement des éléctrodes, qui se déplacent de l’éléctrode positive à la négative en passant par un conducteur pour alimenter un récepteur (l’appareil consommateur d’énergie). Les ions (un ion est une espèce chimique électriquement chargée, qui a perdu ou gagné des éléctrons) issus de ce transfert d’éléctrons peuvent traverser l’électrolyte, solution conductrice, en partant de la cathode (la cathode, c’est de la ou “sort” le courant) pour rejoindre l’anode. La batterie se décharge.

Ces deux électrodes (cathode et anode) sont plongées dans une solution qui assure la conduction ionique (l’électrolyte), sous forme liquide (c’est le cas des perma-batteries Ni-Fe) ou de gel (plomb AGM ou OPZv, ou encore à base de li-ion).

 

Lorsque une batterie se charge, la batterie reçois de l’énergie. Imaginons un élastique (les électrodes de la batterie) dont la tension (voltage de la batterie) augmenterait de plus en plus à cause de l’énergie qu’on lui appliquerait de part et d’autre (le courant). Les deux potentiels chimiques de nos électrodes s’éloignent de plus en plus, à la manière de l’élastique s’écartant, et donc l’énergie utilisable augmentant de ce fait. En fait, l’énergie chimique accumulée au sein de la batterie est “contraire” à la nature des choses, elles sont opposés au sens spontané qui aurait lieu en l’absence de charge (c’est la raison pour laquelle TOUTE technologie de batterie possède un taux d’auto-décharge, même parfois très faible !)

 

Comment se situent les performances des Ni-Fe par rapport aux autres ?

 

On entend parfois dire  “l’éléctricité ne se stocke pas”. En réalité, elle se stocke bien sur, mais avec difficulté. A l’heure actuelle,  on utilise souvent pour représenter les performances des dispositifs de stockage énergétiques le diagramme de Ragone, qui représente deux valeurs :

La densité massique de puissance (ou puissance spécifique) en abscisse.

La densité massique d’énergie (ou énergie spécifique), en ordonnée.

 

Un parc de perma-batterie Ni-Fe d’une capacité de stockage de 6 kWh correspond par analogie à la capacité de la bouteille à stocker un volume donné d’eau ( c’est la densité massique d’énergie). Cependant, ce même parc de batterie ne pourra fournir instantanément l’ensemble de son énergie pour fournir un travail mécanique utile absorbant une puissance P (en raison de la résistance interne de la batterie). C’est ce qu’on appelle la puissance spécifique. Dans un monde ou l’on pourrait s’affranchir des lois de la physique, on pourrait obtenir une batterie parfaite, avec un ratio densité énergétique / densité de puissance parfait. C’est à dire une batterie capable de stocker beaucoup d’énergie, et de la restituer d’un seul coup, si nécessaire.

 

Les batteries Ni-Fe se situent donc en terme d’énergie spécifique quasiment au même niveau que les batteries au plomb (c’est à dire concrètement que pour une capacité de stockage donné, un parc au plomb ou au Ni-Fe occupera grosso modo le même espace). Cependant, leur puissance spécifique est relativement faible, inférieure aux batteries au plomb. Cela s’explique par la faible solubilité des électrodes dans l’électrolyte (cinétique des réactions ralentie), dans les batterie Ni-Fe (qui les préservent en outre de la dégradation !). C’est en réalité le revers de la médaille de la très longue longévité imputable à cette même caractéristique.

C’est la raison pour laquelle nous demandons à nos clients systématiquement quel puissance d’appel ils imposeront à leur perma-batteries (en ampères). Il faut donc dimensionner un parc de batterie en se basant surtout sur la puissance spécifique, car ce sera toujours le facteur limitant. Les batteries Ni-Fe peuvent débiter un courant théorique allant jusqu’à C/2,  c’est à dire 150 A sur un parc de 300 Ah, 300/2 = 150), mais que sur une très brève période, car la chute de tension très  importante provoquera une mise en sécurité de l’inverter.  Concrètement, un client ayant une pompe de forage appelant 100 ampères sur un parc en 24v (soit une pompe monophasé de 2 kW environ), devra choisir à minima un parc de 400 Ah (400/2 = 200 A) pour limiter la chute de tension et avoir une marge suffisante. Elles sont donc à ce niveau inférieure aux batteries aux plombs et aux batteries à base de lithium.

 

Tableau synthétique récapitulant les caractéristiques techniques des systèmes électrochimiques les plus utilisés en applications stationnaires. Sources “The Handbook of Battery, Reddy & Linden” et www.battery-university.com.

Cliquer sur le tableau pour zoomer.

L’électrolyte alcalin, et alors ?

Les avantages liés à l’utilisation d’un électrolyte alcalin (dont la formule chimique est une base, pas un acide) dans les batteries ont été reconnus dés 1899 par Jungner. Il réalisa que cela permettait de charger et décharger les électrodes de la batterie gràce uniquement à un simple transport d’oxygène (c’est pour cela qu’on parle de réaction “oxygen-lift” pour les batteries Ni-Fe) ou d’ions hydroxyls d’une électrode à une autre, sans altérer la composition ou la densité de l’électrolyte.  Cela amène à plusieurs avantages techniques : moins d’électrolyte est nécessaire, le risque de gel diminue, et surtout que les métaux utilisés seraient complètement inertes vis-à-vis de l’électrolyte. En effet, dans le cas des perma-batteries Ni-Fe, l’électrolyte étant basique n’altère pas les métaux puisque ces derniers ne sont pas solubles, contrairement par exemple aux batteries au plomb. Les phénomènes de dégradation intrinsèques des batteries au plomb (sulfatation) sont ainsi inexistant pour les batteries Ni-Fe. C’est l’une des principales raisons qui expliquent leur longévité hors du commun, mais aussi leur sécurité d’emploi. Il est par ailleurs moins dangereux de remplir le niveau d’électrolyte de ses batteries Ni-Fe à l’aide d’eau distillée, que de ses batteries au plomb avec de l’acide sulfurique, sans parler de l’impact environnemental.

Quels sont les inconvénients des batteries Ni-Fe ?

Il est évident qu’aucune technologie de stockage n’est parfaite. En ce qui concerne les batteries Ni-Fe, voici leur deux inconvénients :

  • Leur puissance spécifique relativement faible, (voir question sur les performances), ce qui entraine des chutes de voltages élevés sur des appels de courant important (généralement à partir de C/6).
  • Leur efficacité de charge (techniquement on parle d”efficience de Faraday ou d’efficience coulombique), c’est à dire la quantité d’énergie perdue lors de la charge de la batterie. On peut l’évaluer à environ 75%, c’est à dire que 25% de l’énergie injectée dans les batteries sera perdue dans des processus secondaires (génération d’hydrogène lié à l’éléctrolyse de l’eau). En d’autres termes, il faudra impacter cette perte sur le dimensionnement des panneaux solaires par exemple (25% de l’éléctricité générée sera perdue). Leur efficacité de charge est donc inférieure à celle du plomb (environ 90% dans les meileures batteries), et à celles au lithium (>95%).

Par ailleurs elles sont parfois décriées pour leur taux d’auto-décharge (> 1% par jour), mais sans conséquence dans le cadre d’une utilisation en solaire avec une recharge journalière.

 

A quoi dois-je m’attendre en terme d’entretien ?

Pour s’assurer de la longévité des batteries, nous conseillons une maintenance simple :

 

  • vérification trimestrielle du bon serrage des cosses inter batteries, application d’une couche d’huile minérale (fournie) afin d’éviter la corrosion.
  • vérification et remplissage du niveau d’électrolyte des batteries trimestriel. De l’eau distillée suffit. A titre d’exemple, un parc de 24v en 300Ah consomme environ 30 litres par an d’eau distillée.
  • nettoyage de la surface des batteries et des cosses mensuellement, afin d’éviter l’entrée d’impuretés dans l’électrolyte.
  • une charge d’égalisation, une fois par an, est conseillée. Ceci peut-être automatisé dans les settings des controleur MPPT Victron.
  • changement de l’électrolyte. La périodicité fait débat, mais il est admis de le faire tout les 7 à 10 ans, idéalement.

 

Quel endroit choisir pour les installer ?

Bien que les perma-batteries fonctionnent sur une large gamme de température, et supportent bien les températures négatives, leur capacité s’en verra affecté. Il y’a en effet une baisse de 3 mmV sur le voltage terminal par tranche de 10 degrés celsius à partir de 0 degrés. Qui plus est, la capacité d’une batterie Ni-Fe opérant à 0 degrés sera 30% inférieure à celle opérant à une température de 20°. Idéalement donc, les batteries Ni-Fe s’entreposent dans un local sec, aéré, isolé. Elles n’ont pas d’émanations de gaz nocifs, elles peuvent donc facilement se stocker dans un cellier, dans un garage…

 

 

Dois-je prévoir un système de ventilation ?

Les perma-batteries Ni-Fe ne dégagent pas de gaz nocifs, mais cependant elles émettent lors de la charge de l’hydrogène, gaz hautement explosif. Quelques consignes de sécurités élémentaires doivent être donc respectées : ne pas fumer à proximité (comme toute batterie non scellée), les entreposer dans un endroit suffisament ventilé. On peut choisir aussi de les installer dans un lieu confiné (dans une boite à batterie par exemple), dans ce cas la il faudra prévoir une ventilation automatique (extracteur d’air).

Quel type de contrôleur de charge est le plus adapté pour les Ni-Fe ?

Bien qu’en théorie il n’est pas absolument nécessaire d’utiliser un contrôleur de charge sur les perma-batteries Ni-Fe (elles ne sont pas endommagée par la sur-charge), ce qui fait qu’en cas de défaillance de l’électronique, il est possible de les relier directement au string de panneaux solaires (elles sont pour cela prisés par les survivalistes et les adeptes du “low-tech). Nous conseillons cependant vivement d’utiliser un contrôleur de type MPPT, d’une part pour optimiser la production solaire (surtout en hiver), d’autre part pour limiter la consommation d’eau des batteries, en plafonnant le voltage de charge lorsqu’elles atteignent 100% de leur taux de recharge. Tout contrôleur MPPT fera l’affaire, du moment ou il reste paramétrable sur les voltages en bulk, en absorption et en float. Nous avons l’habitude d’utiliser du matériel Victron et leur contrôleur MPPT font parfaitement l’affaire, proposant à l’utilisateur un paramétrage complet.

Quel type d’inverter est compatible avec les batteries Ni-Fe ?

Tout inverter  fonctionnant sur une large plage de voltage (pour un parc en 24v, de 20 à 33v) peut faire l’affaire. Nous avons pour habitude d’utiliser Victron, qui sont également paramétrables via l’interface V.E Direct, mais d’autres marques sont tout aussi adaptées, telles que Schneider Xantrex, Outback, Studer Xtender XTM ou la gamme d’inverters de chez Mastervolt. Il faut dans tout les cas que la plage de voltage de l’inverter soit paramétrable. Il est préférable de nous contacter afin que nous vérifions la compatibilité de votre matériel avant de passer commande.

Conseillez vous d’utiliser un moniteur de batterie ?

C’est absolument indispensable ! Nous utilisons le contrôleur de batterie Victron BMV-700, avec sa sonde de température, afin de fournir au BMV les informations les plus précises possible, en compensant la perte de capacité lié à la température. Grâce à notre expérience, nous sommes en mesure de fournir les différents paramètres à saisir dans le BMV afin qu’il soit parfaitement couplé aux batteries Ni-Fe (les paramètres pré-définis sont établis pour fonctionner sur du lithium ou sur du plomb).

Comment dois-je paramétrer mon contrôleur de charge ?

Nous détaillons ici les valeurs à saisir dans la configuration d’un contrôleur de charge Victron MPPT, via l’interface VictronConnect, mais ces paramètres peuvent évidemment être applicables à d’autres appareil de marque différente :

  • voltage bulk/absorption : 33V pour les systèmes en 24v, 66V pour les systèmes en 48v (une cellule Ni-Fe se charge à 1.65v)
  • voltage float : 29.5v pour les systèmes en 24v, 58v pour les systèmes en 48v. (une cellule Ni-Fe à un voltage float à 1.47)
  • paramêtre “max charge current” : saisir la valeur C/5 du parc. Ex : 60A pour un parc de 300ah (300 / 5)
  • paramêtreequalization : switcher sur “ON”. Equalization voltage : saisir “33v ou 66v” pour les parcs en 24 ou 48v.
  • paramêtre “auto-equalize interval” : saisir 360 jours.
  • paramêtre “temperature compensation” : switcher sur “ON“. Saisir la valeur : -3 mmV.

 


Conception & Fabrication

De quand date l’invention des batteries Ni-Fe ?

Les batteries au Nickel-Fer ont été inventées au début du siècle dernier, vers 1900, aux Etats-Unis, par  Thomas Edison. Ce dernier suivait de prés les travaux de son homologue Suédois Waldemar Jungner, qui inventa les accumulateurs au Nickel-Cadmium, en 1899 (qui sont d’ailleurs elles aussi toujours utilisées aujourd’hui).  A la base, Edison les développaient dans une optique d’intégration dans des véhicules éléctriques. Elles furent mises sur le marché et connurent un grand succès commercial jusqu’aux années 1970, lorsque Exide racheta l’entreprise fondée par Edison. Ils ont alors poursuivi la fabrication pendant quelques années puis les retirèrent progressivement du marché, pour faire place aux batteries à base de plomb.

Edison était partisan d’utiliser du courant continu et des sources de courant “on-site”. C’est à dire de limiter au maximum le transport du courant entre la source et l’utilisation finale. Aujourd’hui, et malgré la prédominance des systèmes électriques en courant alternatif à travers l’ensemble des pays industrialisés, l’utilisation de sources de courant en DC (à partir d’un parc de batteries par exemple, pour alimenter une pompe de forage ou un frigo DC) trouve petit à petit un essor dans les systèmes off-grid, ou l’utilisation d’appareils fonctionnant directement en courant continu peut se faire sans le besoin d’électronique de puissance complexe et d’une fiabilité limitée.

Mais ou sont-elles fabriquées ?

Vous l’aurez sans doute devinez, comme environ 95% des batteries toutes catégories confondues à l’heure actuelle, les perma-batteries Ni-Fe sont fabriquées en Chine, dans la province de Sichuan, par une entreprise subventionnée par l’état spécialisée dans la production de systèmes de stockages énergétiques de différentes technologies (Ni-Fe, mais aussi du Nickel-Cadmium à électrodes frittées, du LifePO4). Experts dans la filière industrielle de la fabrication de batteries depuis plus de 30 ans, ils ont une capacité de production annuelle de plus de 500 millions d’ampères-heures, et fournissent régulièrement le gouvernement Chinois, mais aussi l’armée, ainsi que des clients institutionnels tels que AEG, ABB, Siemens, ou encore Bombardier. Leur batteries équipent nombre de projets institutionnels et civils, citons notamment les lignes de métro de New York, de Séoul, ou encore le Transrapid de Shanghai (première ligne maglev au monde). Ils collaborent aussi régulièrement à des projets de plusieurs kVA aux quatres coins du monde.

Toutefois, il existe un constructeur Américain, Encell, qui fabrique à petite échelle des batteries Ni-Fe selon une technologie propriétaire, depuis 2016. De part leur faible capacité, (pas plus de 100Ah), elles restent destinées à l’industrie aéronautique. Une autre entreprise aux USA commercialise quant à elle des batteries Ni-fe reconditionnées. Bien que l’idée est séduisante, il reste difficile de juger de la longévité de ce genre de procédé, d’autant plus que leur garantie n’est que de 2 ans (http://zappworks.com). Tout les autres revendeurs, à savoir Iron Edison aux Etats-Unis (https://ironedison.com), Bimble Solar en Angleterre (http://www.bimblesolar.com/), Microtherm en Allemagne (http://shop-microtherm.com/batteries.html),  ou bien encore Uni-Sun (www.unisun.co) en Australie tous les mêmes fournisseurs !