Batterie d'accumulateurs

 

En France, dans le langage commun, le mot « batterie » désigne souvent un ensemble d'accumulateurs électriques³ bien que ce ne soit que l'un des multiples sens de ce mot¹.

L'expression anglaise battery pack se traduit en français littéralement par « ensemble d'accumulateurs » ou « batterie d'accumulateurs ». La traduction littérale « pack de batterie » ou encore « pack batterie » est un anglicisme et un pléonasme.

Types d'accumulateurs

Les batteries d'accumulateurs nécessaires aux voitures électriques mais également aux voitures hybrides ont suivi une évolution technologique continue et les progrès sont importants. Toutefois, aucune technologie n'est entièrement satisfaisante et chaque type d'accumulateur d'électricité est souvent réservé à un type d'usage. Certaines de ces batteries ont un usage commun avec d'autres secteurs comme l'éolien ou le solaire, dans lequel elles stockent l’énergie produite de façon intermittente et la distribuent en période de forte demande.

Les recherches et découvertes en cours sont très prometteuses, au point que certains fabricants de batteries promettaient une autonomie des voitures électriques de 800 km pour la décennie, grâce à la batterie lithium air⁴. Néanmoins, en 2016, peu de voitures électriques peuvent dépasser 400 km sans recharge en usage standard.

Configuration

Choix de configuration

Les accumulateurs sont souvent câblés en série afin d'obtenir la tension de batterie souhaitée.

Pour augmenter le courant disponible, il est également possible de recourir à un montage en parallèle des cellules.

Le propre de la batterie d'accumulateurs est donc d'augmenter la tension et/ou le courant disponible afin de correspondre aux caractéristiques d'une alimentation donnée.

La combinaison des deux techniques peut être faite en accouplant plusieurs éléments :

• en parallèle plusieurs blocs de cellules en série (technique déconseillée pour un assemblage dans un même pack)
• en série plusieurs blocs de cellules en parallèle (préférable)

Notation série et parallèle

Afin de simplifier les descriptions de montage des batteries d'accumulateurs, une notation usuelle est employée pour designer le couplage de^{[réf. souhaitée]} :

• six cellules en série : notée « 6S »
• deux cellules en parallèle : notée « 2P »
• deux blocs en parallèle de six cellules en série : notée « 2P6S »
• etc.

Utilisations

Les batteries d'accumulateurs sont utilisées dans de nombreux domaines :

• les accessoires des véhicules routiers sont alimentés en électricité par des batteries d'accumulateurs (souvent de type plomb-acide) lorsque le moteur du véhicule n'est pas en marche. Le but premier de la batterie est de fournir l'énergie nécessaire au démarreur lors de la mise en route du moteur, l'alternateur étant la principale source d'énergie électrique du véhicule une fois le moteur en marche. La tension de cette batterie est couramment de 12 volts sur les automobiles^a, 24 volts sur les camions et, peut-être, de 42 volts pour la prochaine génération de véhicules)^b ;
• dans les alimentations sans interruption, elles stockent l'énergie permettant de suppléer pendant quelques minutes, à quelques heures, une coupure de courant du réseau électrique ;
• elles permettent le démarrage du groupe Diesel d'une alimentation de secours ;
• les batteries sont utilisées dans de nombreux appareils électroniques autonomes par exemple les téléphones mobiles, les baladeurs numériques, etc. ;
• pour la traction des véhicules électriques, des batteries souvent de technologies autres que le plomb, d'une tension supérieure sont utilisées, afin de limiter le poids à transporter et le courant électrique dans le câblage^c ;
• les batteries solaires sont des batteries optimisées pour un fonctionnement avec des panneaux photovoltaïques⁵ ;
• dans son concept de troisième révolution industrielle, Jeremy Rifkin propose de maximiser l'utilisation des énergies renouvelables et d'en minimiser les coûts en utilisant les batteries de véhicules comme moyen de stockage itinérant d'électricité, provenant de source d'énergie intermittente^6,7.

Géographie de la production

Selon Bloomberg New Energy Finance, la Chine dispose en 2019 d'une capacité de production de 217,2 GWh, devant les États-Unis (49,5 GWh) et la Corée (23,1 GWh)⁸.

France

Vers 2020, la France se situe à la huitième position (1,1 GWh) grâce aux usines de Saft et Forsee Power⁸, mais plusieurs projets de gigafactories existent en France.

Projet de Douvrin/Billy-Berclau

Situé dans l'ex-Bassin minier du Nord-Pas-de-Calais sur le territoire des communes de Douvrin et de Billy-Berclau (département du Pas-de-Calais, dans le Nord de la France), sur un site industriel construit, autrefois occupé par la société de la Française de Mécanique, dans le Parc d'activités Artois-Flandres, il est desservi par autoroute (via la Nationale 47) et potentiellement par voie navigable (Canal d'Aire à La Bassée)⁹. En 2021, le projet annonce que l'usine tournera en continu (travail en 3x8 heures par jour), 329 jours par an avec des livraisons 6 jours sur 7 (du lundi à minuit au samedi à 22h00)⁹.

Porté par la société Automotive Cells Company (ACC), le projet inclut une démolition de la quasi-totalité des bâtiments existants, leur remplacement par une triple ligne de production (blocs 1, 2 et 3) de capacité 8 GWh chacune) ;
Ses besoins en énergie nécessitent aussi la création d'une sous-station électrique pour le raccordement de l'usine à une ligne proche, et la création d'un poste de livraison de gaz naturel (GRDF) raccordé à une canalisation de gaz existante.

Le « bloc n°1 » couvrira 34,4 hectares entièrement (reconstruits : bâtiments, accès) sur le site qui s'étend au total sur 100 hectares ¹⁰. Il projette de fournir environ l'équivalent de 8 GWh de batteries (de quoi répondre à 1/3 de l'équivalent des besoins en batterie de trois fois 75000 et 150000 véhicules électriques⁹.

L'usine sera une installation classée pour la protection de l'environnement pour les rubriques :

• 3670 « Traitement de surface de matières, d'objets ou de produits à l'aide de solvants organiques » (aussi soumis à la directive Industrial Emission Directive3 (IED) ) ;
• 4121-1 « substance de toxicité aiguë de catégorie 2 susceptible d'être présente dans l'installation, substances et mélanges solides » ;

Elle sera classée « Seveso seuil bas », et a fait une demande de dérogation au titre de l'article L.411-2 du code de l'environnement (Cf. destruction d'espèces protégées et de leurs aires de repos et de reproduction, concerne 2 plantes protégées, cinq espèces de chauve-souris protégées, le Lézard des murailles, des espèces de Goelands (brun, cendré et argenté), ainsi que d'autres espèces d'oiseaux (Gorge bleue à miroir, Hirondelles), des batraciens (Grenouille verte et Crapaud commun) et également le Hérisson d'Europe) ; elle doit être compatible avec le schéma directeur d'aménagement et de gestion des eaux (SDAGE) du bassin Artois-Picardie (elle est construite dans le périmètre de protection rapproché et éloigné du captage d'eau potable de Douvrin), et être conforme au plan local d'urbanisme intercommunal du SIVOM de l'Artois et devrait être totalement opérationnelle vers 2028-2029⁹.

La Mission régionale d'autorité environnementale (MRAe) a rendu un premier avis le 27 juillet 2022 (avis ne portant pas sur l'opportunité du projet mais uniquement sur la qualité de l'évaluation environnementale présentée par le maître d'ouvrage et sur la prise en compte de l'Environnement par ce dernier ; Il a été reproché à l'étude d'impact et à l'étude de dangers associée de n'avoir porté que sur les effets du premier bloc de production prévu, en omettant les blocs 2 et 3, alors que l'état initial concernait bien tout le site (à ce moment, seul le « bloc 1 » faisait l'objet d'une demande d'autorisation environnementale et d'une demande de permis de construire) ...ce qui ne permet pas, note l'AE d'apprécier l'impact global et d'étudier les mesures conservatoires ou de compensation à mettre en œuvre)⁹. De plus, l'autorité environnementale a demandé à l'industriel de préciser comment ce projet "s’inscrit dans la démarche du gestionnaire de la zone d’activité, le SIZIAF, de Territoire Engagé pour la Biodiversité et de préciser également comment le projet respecte de cadre national du « Zéro perte nette de biodiversité », et il « recommande de compléter l'analyse des effets cumulés du projet avec l'ensemble des projets en approfondissant notamment l'analyse des effets cumulés sur le trafic et les émissions de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques ». Le bloc 1 devrait consommer 20 000 m³/an d'eau potable et 300 000 m³ d'eau industrielle (pompée dans le canal, avec des restrictions en cas de sécheresse) venant de la nappe de la Craie de la vallée de la Deûle⁹. L'AE demande une étude d'impact plus précise, incluant les impacts des blocs 2 et 3. L’AE (autorité environnementale) a demandé une étude plus précise des effets des prélèvements en eau « industrielle » dans le canal sur tout le réseau hydrographique et ses dépendances (nappes phréatiques, zones humides amont et aval), et sur les autres utilisations (par les industries, l'agriculture, la navigation), en intégrant aussi l’impact du changement climatique sur la ressource en eau⁹. L'Industriel est aussi invité  :

• à s'engager à respecter les préconisations de l’hydrogéologue relatives au captage d’alimentation en eau potable de Douvrin (annexées au dossier d'étude d'impact) ; ainsi que les préconisations de l'étude sanitaire (étude sur l'air et le sol qui montre notamment une pollution du site dépassant localement certains seuils ou valeurs limites pour le Cuivre, le Zinc (et le Lithium sur tous les points de mesures)⁹.
• recourir, tant que possible au transport par voie d’eau et voie ferrée plutôt qu'au transport routier ; et permettre aux employés d’éviter de recourir à la voiture individuelle pour leurs déplacements domicile-travail⁹.
• à étudier l'éventualité de séquelles minières⁹  ;
• étudier ensemble les impacts des trois blocs de production prévus, de même pour l’étude de danger et l’étude sanitaire⁹ ;
• produire des cartes et modélisations plus précises, plus complètes et moins fragmentaires des risques technologiques, recoupées avec les risques technologiques induits par les sites industriels voisins⁹ ;
• « représenter l’ensemble des risques technologiques du secteur sur une seule et même cartographie afin d’analyse des effets cumulés et effets dominos éventuels »⁹ :
• produire une étude d’empreinte écologique globale du projet, intégrant par exemple une analyse de cycle de vie des produits et un bilan carbone⁹.

Union européenne : « Airbus européen de la batterie »

En 2019, la Commission européenne octroie une subvention publique de 3,2 milliards d'euros en soutien à la création d'un « Airbus des batteries », se focalisant sur le développement de batterie Li-ion avec une durée de vie augmentée et un impact environnemental atténué¹¹.

Charge des batteries

Indicateurs de charge

La mise en charge des batteries est une opération primordiale pour que les batteries conservent leurs caractéristiques initiales¹². On peut évaluer dans certains cas le niveau de charge d'une batterie en mesurant sa tension à vide (sans charge).

Dans le cas de techniques plus récentes, comme le NiMh ou le Lithium, des méthodes plus élaborées sont nécessaires pour vérifier le niveau de charge, ce qui nécessite l'utilisation de chargeurs adaptés. Pour ces techniques, les chargeurs évaluent le taux de charge en surveillant l'évolution de la tension de charge et en prenant en compte le courant de charge et le temps, ( d v d t ou d v 2 d t 2 ).

Pour une batterie au plomb de tension nominale 12 V :

• une batterie bien chargée a une tension supérieure à 12,6 V ;
• une batterie sous 12,4 V peut être mise en charge ;
• une batterie à 11,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état.

Pour une batterie lithium-polymère, chaque cellule a une tension nominale de 3,7 V :

• une cellule bien chargée a une tension supérieure à 4,1 V ;
• une cellule à 3 V doit être rechargée ;
• une cellule sous 2,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état et n'est souvent plus rechargeable.

Quand une batterie lithium-polymère est composée de plusieurs cellules (cas fréquent), et il est recommandé de ne pas avoir un écart de tension entre les cellules qui dépasse 0,5 V.

Temps de charge, rendement et capacité

• La durée de charge peut être approximativement calculée en fonction du courant de charge et de la capacité de la batterie : pour une batterie neuve totalement déchargée : capacité (en A.h) = courant de charge (en A) x temps de charge (en h).
• Le rendement de charge (énergie stockée / énergie injectée pour la charge de la batterie) est inférieur à 1, en particulier en raison de la résistance interne à la batterie ; ce rendement dépend de l'intensité de courant utilisée pour la charge, il décroît quand l'intensité croît.
• La capacité doit être divisée par les facteurs de dépréciations en température (DT) et en charge/décharge (Dch).

Par exemple, DT = 0,01053 T + 0,73671 pour des batteries plombs. (DT > 1 si T > 25 °C ; DT < 1 si T < 25 °C). De même, Dch = 20/30 par exemple si le courant nominal de charge est de 20 A alors que le courant de décharge maximum est de 30 A (cas des charges rapides).

Régénération

Les batteries plomb ouvert (chariots élévateurs, nacelles, etc.) ont une durée de vie limitée à environ 1 500 cycles¹³. Lors du stockage et de la restitution de l'énergie au cours de cycles d'utilisation normaux, des cristaux de sulfate s'accumulent graduellement sur les électrodes, empêchant la batterie de fournir efficacement du courant. Les cristaux « étouffent » en fait la batterie. Même une charge de désulfatation n'empêche pas toujours que l'on doive remplacer la batterie après quelques années.

La sulfatation est une des causes de vieillissement d'une batterie au plomb qui est restée déchargée pendant un certain temps avant la recharge, mais il y a aussi un autre facteur de vieillissement qui est la transformation au cours des cycles de charge/décharge de la matière active de l'électrode positive. Celle-ci est constituée de dioxyde de plomb PbO₂ qui cristallise sous deux formes différentes (α-PbO2 et β-PbO2) dont une forme est constituée de petits cristaux, elle se transforme au cours des cycles en l'autre forme dont les cristaux sont plus gros, ce qui génère un gonflement de l'électrode qui se désagrège.

Impact carbone

L’Institut suédois de recherche environnementale (IVL) publie en 2017 un rapport sur l'impact environnemental des batteries : elle estime que leur production engendre de 150 à 200 kg de CO₂ par kilowatt-heure de capacité^d ; une batterie de 30 kWh engendrerait donc entre 4,5 et 6 tonnes de CO₂ tandis qu’une batterie de 100 kWh comme celle qui équipe la Tesla Model S P100D correspondrait à la production de plus de 17 tonnes de CO₂. L'IVL souligne cependant la forte disparité des mix énergétiques selon les pays : 162 kWh d’électricité étant nécessaires par kWh de batterie fabriquée, celle-ci peut représenter jusqu'à 70 % du CO₂ émis lors de la production ; avec un mix électrique entièrement décarboné comme en Suède, cet impact carbone serait réduit de 60 %. Malgré cela, la recherche d'une autonomie maximale avec des batteries de grande capacité contribuerait significativement au réchauffement climatique^14,15.

Recyclage

Batteries au plomb

Les batteries au plomb peuvent être recyclées : la plupart de leurs composants peuvent être réutilisés en fin de vie, par exemple le plastique, l'acide et les plaques de plomb. Au sein de l'usine de recyclage, le plastique du boîtier sera ainsi séparé du plomb des plaques et de l'acide de l'électrolyte. Ensuite, le plomb est fondu dans un four et réutilisé pour fabriquer de nouvelles plaques.

Le plastique de son côté est également fondu et sert à confectionner de nouveaux boîtiers. Enfin, l’acide sulfurique est contrôlé, car il causerait de graves dommages s’il se retrouvait dans l’atmosphère. Il va servir lui aussi ultérieurement lors de la fabrication de batteries neuves.

Ainsi, tout est recyclé et les pertes dans l’environnement sont très faibles, à condition qu'elles soient déposées dans des endroits prévus à cet effet : les mairies, décharges, magasins spécialisés dans l'automobile ou le matériel industriel, ou certains ferrailleurs (contre rémunération) peuvent s'en charger. Au Québec, les écocentres (centres municipaux de recyclage) offrent généralement ce service gratuitement¹⁶.

Batteries lithium-ion

Pour les batteries lithium-ion, en 2019 certaines entreprises comme la SNAM sont capables de recycler « plus de 70 % » des batteries. Les 20 % à 30 % restants « sont détruits, brûlés et à la fin il reste 2 % qui sont enfouis »¹⁷.

Standardisation

Certaines parties prenantes chinoises souhaitent standardiser les batteries dans le but d'en faciliter l'échange standard¹⁸.

Notes et références

Notes

• Six volts sur d'anciens modèles de véhicules encore en circulation.
• Ce qui permettrait d'augmenter la puissance des accessoires ou de réduire la taille des faisceaux de câbles.
• Cela permettrait de réduire la section des fils des faisceaux électriques, donc encore le poids.

Références

• Informations lexicographiques [archive] et étymologiques [archive] de « Batterie » (sens 2 − P. anal) dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
• Cyril Valent, À quoi correspond le nombre de cellules d'une batterie ? [archive], sur le site 01net.com du 30 novembre 1999.
• batterie [archive] Sur le site larousse.fr
• « IBM : objectif 800 km pour une batterie Lithium-Air » [archive], sur enerzine.com, 5 octobre 2009.
• Batterie solaire [archive], sur surtec.fr.
• Hermans, Y., Le Cun, B., & Bui, A. (2011). Modèle d'optimisation basé sur le Vehicle-to-grid pour limiter l'impact des pics de consommation électrique sur la production [archive].
• Dargahi, A., Wurtz, F., Ploix, S., Gaaloul, S., Le, X. H. B., Delinchant, B., ... & Tollenaere, M. (2012). Exploitation de la capacité de stockage de véhicule électrique dans la gestion optimale du flux énergétique de bâtiments: Contribution à la convergence transport/habitation [archive].
• Le « virage vert », le prochain défi des industriels français [archive], Les Échos, 20 juin 2019.
• avis délibéré de la MRAe [archive]
• source : résumé non technique de l'étude d'impact, voir page 7
• « L'Europe lance un deuxième Airbus des batteries électriques avec Tesla et BMW » [archive], sur Les Échos, 26 janvier 2021 (consulté le 16 février 2022)
• Charge des batteries d'accumulateur au plomb : Institut national de recherche et de sécurité (ED 6120), Institut national de recherche et de sécurité, avril 2018, 14 p. (lire en ligne [archive] [PDF]).
• (en) Paul Ruetschi, « Aging mechanisms and service life of lead–acid batteries », Journal of Power Sources, eighth Ulmer Electrochemische Tage, vol. 127, n^o 1,‎ 10 mars 2004, p. 33–44 (ISSN 0378-7753, DOI 10.1016/j.jpowsour.2003.09.052, lire en ligne [archive], consulté le 11 février 2021)
• Voiture électrique : l’impact carbone des batteries au cœur d’une étude suédoise [archive], automobile-propre.com, 7 août 2019.
• (en) Lisbeth Dahllöf et Mia Romare, « The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries » [archive], sur Institut suédois de recherche environnementale, 2017.
• Page d’accueil de recyc-quebec [archive], recyc-quebec.gouv.qc.ca (consulté le 7 mai 2017).
• Vincent Verier, Véhicules électriques : 700 000 tonnes de batteries à recycler en 2035 [archive], Le Parisien, 12 août 2019.

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur électrique
• Chargeur de batterie

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