Batterie Solaire : Solutions de Stockage Énergétique

Pourquoi s’équiper d’une batterie solaire ?

Il y a un certain nombre de raisons pour lesquelles vous voudriez ajouter une batterie solaire à votre système. Que ce soit dans un scénario site isolé, hybride, ou commercial & industriel, nous avons une batterie qui sera adaptée à vos besoins, rentable et durable, de 2 jusqu’à plusieurs centaines de kWh.

Utiliser au maximum l’énergie des panneaux solaires  : Les batteries vous permettent de stocker l’énergie solaire pour l’utiliser le soir et la nuit. Avec l’installation d’une batterie solaire, vous importerez moins d’énergie d’EDF, et vous économiserez  sur vos factures d’électricité. Nous pouvons donc parler ici d’optimisation de l’auto-consommation (hybride), couplé à vos panneaux solaires.

Faire de l’arbitrage HP/HC  : Si vous n’avez pas de batterie solaire, les tarifs en fonction de l’heure d’utilisation risquent d’augmenter considérablement vos factures d’électricité. Mais une batterie disposant d’un « stock » d’énergie (la capacité) en KwH, et suffisament de panneaux solaires peuvent vous alimenter pendant ces périodes de pointe ou le prix de l’électricité est plus élevé.

Certains systèmes de batteries (par exemple SIGENERGY) sont capable de faire ce type d’arbitrage intelligent, pour se recharger avec de l’électricité du réseau en dehors des heures de pointe lorsque cela s’avère judicieux. Par exemple, s’il semble qu’il n’y aura pas assez de soleil pour recharger les batteries le lendemain via les panneaux, en couplant un prévisionnel méteo.

Autarcie solaire grâce aux batteries (backup) : Toutes nos gammes de batteries proposées sont capables de fonctionner en ilôtage, c’est à dire sans la présence d’EDF. Ainsi, vous pouvez bénéficier d’une fonction dite de « secours » (= backup) partielle ou totale pour sécuriser vos charges dans l’habitation. En journée, si une coupure EDF intervient, vous pourrez continuer à bénéficier de l’énergie solaire, via vos panneaux.

Quels sont les différents types de batterie solaire ?

L’évolution des batteries solaires : le déclin des batteries GEL et Plomb :

Les batteries solaires ont connu une évolution significative, marquée par le déclin des anciennes technologies telles que les batteries GEL et au plomb (marque Hoppecke, Victron, Enersys, etc..) . Autrefois populaires, les batteries GEL, avec leur électrolyte sous forme de gel, et les batteries AGM (Absorbed Glass Mat), bien que peu exigeantes en entretien et offrant une durée de vie relativement longue, sont désormais dépassées. Leurs performances et durée de vie, généralement entre 800 et 900 cycles pour le GEL et jusqu’à 10 ans pour l’AGM, pâlissent face aux avancées des batteries lithium. De même, les batteries au plomb ouvert, malgré leur coût économique, requièrent un entretien conséquent et sont limitées par leur design non étanche. Aujourd’hui, elles sont encore vendus dans des kit solaires d’entrée de gamme, ou les batteries AGM de part leur prix très bas, permettent d’avoir des installations à bas coût, notamment pour des camping cars.

La supériorité technique des batteries solaire Lithium-ion :

Les batteries solaires lithium-ion, grâce à leur compacité et durée de vie élevée, se sont rapidement imposées comme la technologie de choix pour le stockage de l’énergie solaire. Elles offrent une efficacité énergétique supérieure et une durée de vie nettement plus longue que les batteries GEL et plomb, marquant ainsi un tournant dans le stockage d’énergie solaire. Les batteries lithium sont dotées d’un système de gestion interne électronique, un BMS, qui va optimiser la décharge et la charge en fonction des tensions des panneaux solaires et de l’onduleur-chargeur utilisé. Les capacités varient entre 2 jusqu’à 10 kWh par élément, en fonction des marques de batteries. La puissance de décharge peut aller jusqu’à 5000W pour certains modèles.  La qualité du BMS influencera aussi sur la durée de vie de la batterie lithium, et de sa capacité en décharge et donc en énergie restituée.

Technologies batteries dites « alternatives » : Nickel-Fer, Titanate de Lithium, et Sodium-ion :

En parallèle, d’autres technologies émergentes, telles que les batteries Nickel-Fer, Titanate de Lithium, et Sodium-ion. Les batteries Nickel-Fer, connues pour leur robustesse et longévité, se distinguent par leur capacité à résister à des cycles de charge et décharge profonds sans dégradation significative, tout en assurant une décharge rapide si nécessaire. Elles sont idéales pour des systèmes solaires off-grid. Elles peuvent délivrer jusqu’à 8000 cycles, et leur électrolyte peut être renouvelé. Elles peuvent être déchargé à 0% sans risque. Le prix est d’environ 600 € le kWh.

La technologie de batterie solaire au Titanate de Lithium, quant à elle, offre une charge extrêmement rapide et une durée de vie étendue, même dans des conditions climatiques extrêmes. Bien que coûteuse, les batteries solaires lithium titanate ont la meilleure garantie du marché (20 ans pour les Zenaji), soit 10x celle d’une batterie plomb AGM Hoppecke ou Victron ! Le prix en revanche est environ 3x fois plus élevé qu’une batterie lithium classique.

Enfin, les batteries Sodium-ion émergent comme une alternative prometteuse, offrant une solution plus abordable et écologiquement durable. Bien qu’elles soient encore en phase de développement, ces batteries sont envisagées pour des applications à grande échelle, en raison de leur faible coût de production et de l’abondance du sodium. Leur capacité énergétique est un peu plus basse que les batteries solaires lithium, en raison d’une densité énergétique d’environ 130 Wh / Kg, contre 160 pour les batteries LiFePO.

La transition vers des technologies de batteries plus avancées, notamment le lithium-ion, le Nickel-Fer, le Titanate de Lithium, et le Sodium-ion, reflète les progrès continus dans le domaine du stockage de l’énergie solaire. Cette évolution promet une efficacité accrue, une meilleure durabilité et une empreinte écologique réduite, ouvrant la voie à une ère nouvelle et plus durable de l’énergie solaire.

Pourquoi les batteries solaires lithium sont supérieures aux batteries plomb (AGM, OPZs) ?

La différence la plus notable entre la technologie lithium (LIFEPO par exemple) et des batteries AGM/GEL de type Hoppecke ou Enersys, réside dans la capacité de charge/décharge. Le graphique ci-dessous décrit la capacité en fonction du pourcentage de la capacité nominale par rapport au taux (ou à la vitesse) de décharge (en puissance). Avec des taux de décharge très élevés de la batterie, la capacité d’une batterie plomb-acide AGM/GEL n’est que de 60% de sa capacité nominale :

De ce fait, dans des systèmes solaires ou la batterie est fortement sollicitée ou régulièrement avec des pics de décharge, une batterie lithium d’une capacité plus basse aura une capacité UTILISABLE plus importante qu’une batterie plomb-acide d’une capacité similaire. Autrement dit, à capacité similaire, la batterie lithium coûtera certes plus cher, mais vous pourrez utiliser une capacité plus basse puisqu’il n’est pas nécessaire de la surdimensionner pour absorber les pics de décharges.

L’autre avantage des batteries lithium LIFEPO, par rapport aux batteries plomb AGM/GEL, réside dans la capacité en cycle (la durée de vie). La technologie LIFEPO a environ 10x plus de capacité en cycle par rapport aux meilleurs batteries OPZs. Cela rend le coût du kWh stocké beaucoup moins élevé qu’en plomb, ce qui veut dire que la batterie lithium n’aura pas besoin d’être remplacée sur la durée de vie du système solaire :

Comment fonctionne une batterie solaire ?

Une batterie solaire peut être imaginée comme une sorte de  « sandwich » électrochimique utilisé pour stocker de l’énergie. D’un côté, vous avez l’anode, et de l’autre,  la cathode. Entre les deux, il y a une interface conductrice ionique, appelé électrolyte et un séparateur.

Les électrons chargés négativement de la batterie se concentrent à l’anode. Comme les opposés s’attirent, ils veulent aller vers la cathode chargée positivement en électricité dans la batterie. L’électrolyte joue le rôle de tampon, empêchant les électrons d’emprunter le chemin le plus court de la batterie (qui provoquerait un court-circuit électrique !).

Le fait de relier l’anode et la cathode à l’aide d’un fil extérieur permet aux électrons de la batterie de circuler. Ce flux d’électrons est ce que nous appelons l’électricité.

Schéma de principe (source : www.solarquotes.com)

Dans les batteries solaires rechargeables (que l’on appelle techniquement batteries « secondaires », à l’opposé des piles à usage unique), on utilise une source d’énergie externe pour inverser le flux de courant (via des panneaux solaires par exemple). L’énergie est ainsi stockée (on parle de kWh), en vue d’une utilisation ultérieure, ou d’une recharge via le panneau solaire.

Il existe de nombreuses façons de disposer les feuilles de la cathode, de l’anode et du séparateur dans une batterie solaire lithium-ion moderne.

Elles sont généralement construites comme un rouleau à l’intérieur de cylindres métalliques appelés cellules. Un système de stockage d’énergie domestique peut comporter des milliers de ces cellules de batterie cylindriques. Nous pouvons aussi retrouver une construction de type rectangulaire, qu’on appelle prismatique. Enfin, il y’a les conceptions à feuillet « pouch-cell » que l’on retrouve chez Pylontech notamment :

La puissance ET l’énergie de la batterie ! à ne pas confondre …

Dans notre guide de l’autonomie solaire, nous expliquions la distinction à faire entre la puissance (« power ») et la densité énergétique (ou la capacité). Je remet ci-contre le schéma de la baignoire qui est simple à comprendre :

En ce qui concerne les batteries, une analogie utile est celle de l’eau qui s’écoule dans un tuyau vers un récipient, sauf que l’eau serait l’électricité, et la puissance (« power ») serait le débit :

• La puissance (kW), ou « power » en anglais, est la vitesse à laquelle l’eau s’écoule dans le tuyau, dans ou hors du récipient.
• L’énergie (kWh), ou la capacité, est la quantité d’eau que le récipient peut contenir.

La plupart des batteries solaires lithium-ion ont une puissance maximale continue comprise entre 3 et 5 kW. Une Pylontech US5000  par exemple, a une puissance de 2.4 kW continue, et jusqu’à 5KW en crête. Si je souhaite un jour obtenir une puissance de 10 kW de mon système de batteries, je devrai ajouter une deuxième batterie.

Nickel-Fer, NIFE, Lithium LFP, NMC, Sodium ? Que choisir ?

Il y’a encore quelques années, lorsqu’on évoquait le stockage sur batteries, il y’avait fort à parier que vous étiez dans une situation de type site isolé (off-grid). Et pour cause, le tarif des batteries lithium-ion notamment était 4 à 6x fois supérieur à celui d’aujourd’hui :

La technologie dominante il y’a une dizaine d’année était encore le plomb-acide (OPZs notamment de la marque Victron, Hoppecke). Il y’avait aussi les batteries AGM ou GEL, toujours en technologie plomb. La technologie plomb-acide présentait des inconvénients (encombrement, durée de vie limitée, dégagement gazeux, intolérance aux cyclages profonds, etc …) et demandait une maintenance régulière, ce qui était complexe. En outre, malgré leur prix assez bas de prime abord, il fallait prendre en compte la capacité faible disponible car la décharge maximale était limitée à 30%, et ce pour conserver une durée de vie correcte !

Le prix des batteries lithium a donc diminué drastiquement, pour s’établir à 139 USD le kWh (Article Bloomberg.) 

Les deux principales technologies du lithium sont le nickel-manganèse-cobalt (NMC) et le lithium-fer-phosphate (LifePO). La TESVOLT HV par exemple utilise des cellules NMC Samsung SDI, tandis que les batteries à usage résidentiel telles que Pylontech ou BYD utilisent exclusivement du LifePO.

On remarquera que chaque batterie possède des spécificités propres, mais que le LifePo l’emporte sur le nombre de cycles,  la stabilité  thermique, et la durée de vie.

Batterie LiFePO : un rapport qualité-prix imbattable :

Les batteries solaires basées sur la chimie LFP sont dépourvues de cobalt et de métaux stratégiques, et sont donc plus vertueuses d’un point de vue écologique et C2G (« cradle to gate = cycle de vie de la batterie de son extraction jusqu’à son recyclage).

Batterie Nickel-Fer : priorité à la durabilité :

D’autres technologies existent, telles que la batterie Nickel-Fer que nous vendons depuis 2018, qui allie robustesse et rusticité incomparable pour des applications de « niche » (sites isolés surtout). Ce sont des batteries bien particulières qui sont certes encombrantes et nécessitant de la maintenance, mais qui ont une durée de vie quasi-illimitée. Elles ne nécessitent par ailleurs pas de BMS ce qui est un avantage pour ceux qui apprécient les conceptions « low tech ».

Il existe aussi les batteries au titanate de lithium (LTO), que nous proposons via la marque Australienne Zenaji depuis 3 ans maintenant. Une technologie ultra performante, dotée d’un cyclage incroyable (20000 cycles) mais au tarif prohibitif.

Les batteries au sodium-ion enfin, commencent à arriver sur le marché. Nous allons en proposer courant 2024 via notamment notre partenariat avec BIWATT et leur solution toute intégrée. Ces dernières présentent des avantages uniques en termes de tolérance aux températures extrêmes, et à l’absence d’utilisation de métaux à haute criticité (= en quantité limitée). Toutefois, leur tarif est pour l’instant similaire voir légèrement supérieur à celui des batteries solaires LIFEPO, et nous devons avoir du recul sur l’usage afin d’être certain que leur durée de vie est intéressante par rapport à des batteries matures techniquement.

Bien vérifier les conditions de garanties des batteries !

La lecture des contrats de garanties des batteries peut s’avérer fastidieuse.  Voici les points essentiels à comprendre concernant tout système de stockage d’énergie que vous envisagez d’acheter.

Dégradation de la batterie (« EOL »), un critère primordial pour évaluer le nombre de cycles disponible ! 

Quelle est la capacité de la batterie solaire à la fin de sa garantie ? 70 % après 10 ans est une valeur typique. Il s’agit de la fameuse « EOL ». Les constructeurs donnent des abaques qui déterminent le nombre de cycles atteignables par la batterie avant que sa capacité résiduelle ne franchise le fameux seuil « EOL » (= end of life). Par exemple, avec la batterie solaire TESVOLT, on constate que les batteries sont garanties 6500 cycles à 100% de décharge, pendant 10 ans. Autrement dit, vous pouvez les cycler 6500 fois à 100% pendant 10 ans et vous ne devriez pas descendre en dessous des 70% de capacité résiduelle à l’issue de ces cycles !

Une autre manière de l’interpréter serait de dire qu’en utilisation standard, une batterie résidentielle est cyclée environ 280 par an en équivalent « cycle plein » (= 100% de DOD). Cela s’explique par la saisonnalité (en effet, en été la batterie sera moins sollicitée qu’en hiver ! ) Ainsi, une TESVOLT garantie 6500 cycles permettra en réalité d’extraire 6500/280 = 23 ans environ de fonctionnement avant une dégradation majeure.

La santé de votre batterie solaire, le SOH !

L’autre notion importante à retenir est celle de la  SOH, signifiant « state of health » (état de santé) de la batterie, indique sa capacité résiduelle. Un SOH de 98 % indique que son EOL est de

Il faut aussi garder à l’esprit que la qualité de fabrication d’une cellule lithium impactera sa durée de vie calendaire, c’est à dire sa durée de vie hors usure (qu’on l’utilise ou pas). Sur TESVOLT par exemple, la dégradation extrapolée est très basse, à environ 70% au bout de 16 ans d’utilisation intensive à 100% de DOD. Cela est confirmée par notre expérience terrain puisque l’une de nos installations en site isolé depuis 4 ans avec une TESVOLT, démontre toujours un SOH (« state of health ») intact !

Ci-contre, la relève du SOH sur l’un de nos systèmes autonome (Studer) avec batteries, en service depuis 4 ans. Il s’agit d’une batterie TESVOLT TS48V avec cellules Samsung SDI. La capacité est toujours à 100%, ce qui témoigne d’une très longue durée de vie à venir.

Plutôt encourageant après 4 ans de service en site isolé !

Ci-contre, le SOH d’une batterie Pylontech, en service depuis 4 ans également. On constate que le SOH est beaucoup plus bas, et que les batteries ont perdues 8% de capacité. La dégradation est donc beaucoup plus forte.

En conclusion, il est crucial de bien comprendre les enjeux liés au choix technique que vous ferez pour votre batterie solaire. Cela aura un impact sur la sécurité, mais aussi sur la rentabilité et le bon fonctionnement de votre projet sur le long terme. Toutes les batteries ne se valent pas !