Réseau de bord: Comparaison des batteries au plomb et au lithium - pleine charge
Leon Schulz
· 14.04.2023
Cela fait plus de 150 ans que les accumulateurs utilisant la technologie plomb-acide sont sur le marché. En 1854, Wilhelm Sinsteden a pu produire pour la première fois de l'électricité à partir de plomb et d'acide sulfurique. Plus tard, sa batterie a été perfectionnée par le Français Gaston Planté. Mais ce n'est que 27 ans plus tard qu'Henri Tudor a réussi à construire une batterie pouvant être produite en masse. Depuis lors, peu de choses ont changé, si ce n'est sur le plan des principes. Avec l'introduction d'acide lié sous forme de gel, les accumulateurs sont devenus résistants aux fuites. Enfin, en 1972, Gates Rubber a développé un tapis de verre imprégné d'acide : l'accumulateur "Absorbed Glass Mat" (AGM) était né. Il peut être déchargé plus profondément, peut délivrer des courants importants, a moins tendance à se sulfater, ne dégage pas de gaz d'explosion et ne fuit pas.
Jusqu'à récemment, les batteries AGM de ce type étaient considérées comme le nec plus ultra en matière de stockage d'électricité - jusqu'à l'arrivée des batteries au lithium sur le marché. L'accumulateur au lithium utilise une toute nouvelle technologie. La question qui se pose maintenant est la suivante : à quels bateaux les nouveaux accumulateurs conviennent-ils et à qui l'accumulateur AGM, dont on vantait encore les mérites il y a peu, reste-t-il adapté ?
Le plomb peut être meilleur
Une chose tout d'abord : pour les batteries utilisées exclusivement pour le démarrage du moteur, la batterie au plomb, en particulier dans sa variante AGM, convient parfaitement et ne devrait pas être remplacée par du lithium.
Une batterie AGM peut fournir les courants élevés nécessaires au démarrage pendant une courte durée, une ventilation séparée n'est pas nécessaire et la batterie peut être relativement petite, puisqu'elle doit seulement démarrer le moteur. En tant que batterie de démarrage, la batterie au plomb a une durée de vie maximale, car elle est et reste toujours entièrement chargée, à l'exception des quelques secondes nécessaires au démarrage du moteur. L'argument le plus important en faveur de la batterie au plomb à ce stade est que sa tension chute immédiatement à moins de dix volts dès que le démarreur prélève du courant dans la batterie.
Cette chute de tension de la batterie, souvent considérée comme un inconvénient, est toutefois prise en compte dans la construction du démarreur. Avec les batteries au lithium, la tension ne s'effondre de loin pas autant sous la charge, c'est pourquoi le démarreur reçoit beaucoup plus de puissance que prévu, ce à quoi il ne résiste pas longtemps en cas de doute. Pour les dévoreurs de courant de plus en plus variés et importants à bord, comme les appareils de navigation, les téléphones portables, les tablettes, les ordinateurs portables, le pilote automatique, le réfrigérateur, l'éclairage ou les consommateurs populaires de 230 volts comme les machines à café, les grille-pain, les bouilloires et les sèche-cheveux qui fonctionnent au moyen d'un inverseur, il n'y a pas de réponse unique à la question du type de batterie approprié. Il convient plutôt de se poser les questions suivantes :
- Quelle est la consommation d'électricité quotidienne ?
- À quelle fréquence faut-il charger ?
- À quelle vitesse doit-on charger ?
- Avec quoi faut-il charger ?
Dévoreur d'énergie
L'équipement de confort des bateaux modernes consomme beaucoup d'électricité. Le réfrigérateur et les appareils électroménagers sont les plus gros consommateurs :
Quelle est la quantité d'énergie nécessaire pour les accumulateurs
Pour calculer la consommation d'énergie, il est préférable de partir de la puissance de chaque consommateur, exprimée en watts (W). En multipliant cette valeur par le temps d'utilisation prévu de l'appareil, on obtient la consommation d'énergie quotidienne en wattheures (Wh). Ensuite, les valeurs sont divisées par la tension de bord - douze volts ou éventuellement 24 volts pour les grands bateaux -, ce qui donne pour chaque appareil l'énergie nécessaire en ampères-heures (Ah). En additionnant ces valeurs, on obtient la quantité d'énergie qui doit être fournie chaque jour par les batteries. Les valeurs indicatives suivantes peuvent servir d'orientation : Pour une croisière d'une journée, c'est-à-dire si l'on part le matin avec des batteries entièrement chargées et que l'on rentre au port l'après-midi, on a typiquement une consommation d'énergie d'environ 39 ampères-heures.
Pour les skippers côtiers qui consomment un peu plus d'électricité et qui jettent parfois l'ancre ou qui naviguent la nuit, on compte environ 100 ampères-heures pour 24 heures de fonctionnement. Les skippers au long cours qui passent plus de temps à bord et utilisent de nombreuses commodités comme à terre, y compris un onduleur pour les appareils électroménagers de 230 volts, consomment souvent 250 ampères-heures en 24 heures.
Quelle est la fréquence de chargement ?
Une autre question dont la réponse dépend fortement du comportement d'utilisation du bateau. Par exemple, si l'on est amarré tous les soirs dans une marina, il est fort probable que l'on charge toujours le bateau avec le courant de quai. Si l'on jette l'ancre de temps en temps, on ne veut peut-être charger que tous les deux jours. Beaucoup de personnes choisissent de charger les batteries au moteur tous les jours pour produire de l'eau chaude pour le rinçage ou la douche, même si elles sont au mouillage.
Avec quoi charge-t-on ?
Lorsque la batterie a perdu son énergie, il faut la recharger le plus rapidement possible. Sur les bateaux à moteur, cela se fait en continu, car à peine le bateau est-il déconnecté du courant de quai qu'il est déjà rechargé par le moteur. Hormis quelques brefs arrêts pour se baigner, le moteur se recharge pratiquement sans interruption, sauf si l'équipage jette l'ancre pour la nuit. Dès que la machine fonctionne à nouveau, le courant de charge est à nouveau disponible, et ce pendant toute la durée du trajet. La vitesse de chargement n'a pas beaucoup d'importance, il suffit que les batteries soient à nouveau pleines le lendemain matin.
La capacité utilisable
Une batterie au plomb ne devrait jamais être complètement déchargée. La profondeur à laquelle une batterie peut être vidée dépend de la conception des plaques de plomb. Les batteries dites "à cycle profond" ont des plaques de plomb plus épaisses que celles conçues pour le démarrage du moteur. De même, les batteries AGM peuvent généralement être déchargées plus profondément que les cellules de plomb ouvertes et humides. La durée de vie escomptée de la batterie dépend fortement de la fréquence et de la profondeur de la décharge, et tout particulièrement de la vitesse à laquelle la batterie retrouve sa pleine charge après l'utilisation. En règle générale, plus la batterie est déchargée en profondeur, plus elle est souvent déchargée en profondeur et plus il faut de temps pour la recharger complètement, plus sa durée de vie est courte. Un accumulateur au plomb ouvert peut durer de nombreuses années s'il n'est presque jamais déchargé et immédiatement rechargé, comme le montre l'exemple de l'accumulateur de démarrage du moteur.
D'autre part, une batterie peut être détruite en l'espace de quelques semaines si, par exemple, elle a été déchargée à moins de 50 pour cent et reste plus longtemps dans cet état. Pour que les batteries durent le plus longtemps possible, les personnes prudentes ne prélèvent jamais plus de 50 % de la capacité nominale des batteries AGM (state of charge de 50 % ou SoC 50 en abrégé) et jamais plus de 35 % de la capacité des batteries au plomb ouvertes (SoC 75). Inconvénient : l'énergie utilisable est au maximum la moitié de ce qui est indiqué sur l'étiquette. En d'autres termes, il faut transporter beaucoup de plomb inutile.
Combien de temps dure le chargement
Les batteries au plomb ne peuvent être chargées à une vitesse significative qu'à environ 75 à 80 %. Si la batterie est pleine à plus de 80 %, elle ne peut plus absorber de courants importants et la vitesse de charge diminue rapidement. Malheureusement, sur un bateau, c'est justement la plage entre 80 et 100 pour cent qui est intéressante, car la batterie au plomb doit être aussi complètement chargée que possible pour une longue durée de vie. Mais même si le niveau de remplissage est inférieur à 80 pour cent, le courant de charge maximal est limité. Pour ne pas raccourcir inutilement la durée de vie, il ne faut pas charger avec des courants supérieurs à 20 pour cent de la capacité de la batterie. Une batterie au plomb de 100 ampères-heures ne devrait donc pas être chargée avec plus de 20 ampères, ce qui est indiqué comme 0,2 C. En effet, plus la charge est douce, plus la durée de vie est longue.
Rapidement à nouveau plein
Le comportement de charge est l'un des principaux avantages des batteries au lithium :
C'est là que les batteries au plomb se distinguent en détail : les batteries au plomb ouvert devraient être alimentées particulièrement lentement, idéalement avec seulement 0,1 C, alors que les AGM pourraient être chargées avec jusqu'à 0,3 C. Les batteries au plomb lourd devraient être alimentées avec une tension de 0,1 C, alors que les AGM pourraient être chargées avec une tension de 0,2 C. C'est aussi la raison pour laquelle les chargeurs d'accumulateurs au plomb ont trois phases. La première phase est appelée "Bulk". Elle est chargée avec le courant de charge le plus élevé possible, c'est-à-dire pas plus de 20 ampères pour une batterie de 100 ampères-heure. La phase bulk dure jusqu'à ce qu'une tension de batterie prédéfinie soit atteinte. Pour les AGM, cette tension est généralement de 14,4 volts, ce qui correspond approximativement à SoC 80.
Le chargeur passe ensuite à la phase d'absorption. Maintenant, la charge se fait de plus en plus lentement à tension constante, car le courant de charge diminue rapidement. La durée de la phase d'absorption est déterminée par le chargeur et s'étend généralement sur plusieurs heures. Lorsqu'elle est terminée, le chargeur conclut que la batterie devrait enfin être pleine. Il passe alors à la troisième phase, appelée "float". Et son rôle est de maintenir la batterie à sa "tension de confort", par exemple à 13,2 volts.
Certains chargeurs particulièrement intelligents ne se basent pas sur le temps, mais interprètent un courant de charge proche de zéro comme une batterie complètement chargée et passent alors en mode float. Mais même dans ce cas, la charge complète prend beaucoup, beaucoup de temps.
Comme il y a si peu de charge au final, de nombreux skippers au mouillage n'utilisent guère plus de 30 % de leur batterie au plomb lorsqu'ils chargent et déchargent entre 50 et 80 % de sa capacité. Or, c'est précisément ce qui réduit la durée de vie des batteries au plomb, qui demandent à être rechargées complètement et régulièrement.
Cette charge partielle est particulièrement critique pour les batteries au plomb ouvert. Les AGM résistent un peu plus longtemps à l'état à moitié vide. Mais toutes les quelques semaines, les batteries AGM devraient aussi être remplies à 100 % grâce au courant de quai ou à un long voyage en bateau.
Ce qui est écrit à l'intérieur
En revanche, les batteries au lithium permettent d'utiliser presque entièrement la capacité indiquée. Entre 80 et 90 pour cent de l'énergie stockée peuvent être déchargés sans que les accumulateurs ne soient endommagés. Seuls les dix à vingt derniers pour cent sont réservés au système de gestion de la batterie (BMS) intégré dans l'accumulateur, sans lequel les accumulateurs lithium-phosphate de fer (LiFePO4) ne devraient pas être utilisés à bord.
Il ne faut toutefois pas mettre les batteries en hivernage avec une capacité résiduelle aussi faible, car il pourrait arriver que l'énergie restante tombe en dessous du seuil critique. Le BMS se désactive alors complètement et il n'est plus possible de recharger facilement. Il vaut mieux charger la batterie à 50-80 % avant l'hiver. Certaines batteries sont également équipées d'un bouton spécial hiver qui met l'électronique en sommeil profond, ou il est possible de retirer le fusible de la batterie, de sorte que l'ordinateur du BMS ne reste pas allumé pendant l'hiver et ne décharge pas la batterie.
Chimie de l'accumulateur
Une technique éprouvée à base de plomb-acide ou des batteries au lithium peu encombrantes et légères pour une charge rapide :
Contrairement à la batterie au plomb, la batterie au lithium ne subit pas de dommages lorsqu'elle reste longtemps à un faible niveau de charge ; au contraire, elle vieillit même plus lentement que lorsqu'elle est entièrement chargée. Il est donc préférable de ne pas rester branché en permanence sur le courant de quai, comme le font de nombreux propriétaires de batteries au plomb, et d'éteindre au moins le chargeur.
Pour prendre la mer malgré tout avec des batteries pleines, il suffit d'activer le chargeur une heure avant de prendre la mer, car les batteries au lithium peuvent être chargées en très peu de temps. Alors que les batteries au plomb devraient être alimentées avec 0,3 C maximum, on peut sans problème charger une batterie LiFePO4 avec un C, soit un accumulateur de 100 ampères-heures avec un courant de charge conséquent de 100 ampères. De plus, ce courant élevé circule pratiquement pendant tout le processus de charge, ce qui réduit encore le temps de charge.
Pour profiter pleinement de ces avantages, le chargeur devrait avoir une courbe caractéristique au lithium qui fonctionne avec les phases bulk et float. Si seul un chargeur triphasé est disponible, la phase d'absorption superflue devrait être réglée aussi courte que possible.
Poids
Si l'on compare une batterie AGM de 100 ampères-heures et une batterie au lithium de même taille, on remarque immédiatement la différence de poids : Une batterie AGM pèse environ 30 kilos, alors que la batterie au lithium ne pèse que 14 kilos.
Si l'on rapporte la masse à la capacité utilisable, la différence est encore plus flagrante. L'excursionniste qui dispose chaque soir d'une prise de courant de quai peut utiliser environ 50 pour cent de la capacité de la batterie au plomb et arrive à un poids de 0,6 kilogramme par ampère-heure. Lors d'une longue croisière, lorsque le chargement et le déchargement ne se font qu'entre 50 et 80 pour cent lors de l'ancrage régulier, seuls 30 pour cent de la capacité sont utilisés, ce qui donne un poids d'environ un kilogramme par ampère-heure utilisable.
Avec le lithium, la situation est différente : Comme presque 100 % de la capacité peut être utilisée, la batterie au lithium ne pèse que 150 grammes par ampère-heure.
Question de prix
Le prix des batteries au lithium décourage plus d'un propriétaire de bateau. Alors qu'une batterie AGM haut de gamme de 100 ampères-heures coûte à peine 300 euros, les batteries au lithium de même taille sont proposées à des prix compris entre 1.000 et 2.000 euros.
Pour calculer l'investissement d'une nouvelle batterie, il faut diviser les coûts par les ampères-heures utilisables. Alors que l'investissement d'une batterie AGM, selon que l'on utilise 50 ou 30 % de sa capacité, s'élève à six à dix euros par ampère-heure, la batterie au lithium, du moins dans sa version la plus chère, coûte tout de même le double, soit 20 euros par ampère-heure.
Si l'on prend également en compte le nombre de cycles, le tableau est plus avantageux. La durée de vie de la batterie AGM est indiquée dans la fiche technique comme étant de 400 cycles de charge et de décharge, alors qu'elle est de plusieurs milliers de cycles pour le lithium. La question de savoir à quelle profondeur de décharge ces cycles s'appliquent pour l'AGM est justifiée, mais ne joue pas un rôle aussi important dans la pratique, car sur la plupart des bateaux, la vie d'une batterie au plomb ne s'arrête pas lorsque le nombre de cycles est atteint, mais avant, en raison de la sulfatation.
Avantages et inconvénients :
Les batteries au plomb sont composées de plaques de plomb et d'acide sulfurique. Si la batterie reste en état de charge partielle pendant une longue période, les cristaux de sulfate de plomb s'agglomèrent pour former des ensembles toujours plus grands, ce qui réduit de plus en plus la capacité de la batterie. Plus la décharge est profonde et plus il faut de temps avant la prochaine charge complète, plus la sulfatation progresse rapidement. Les batteries AGM sont un peu moins sensibles à la sulfatation que les batteries ouvertes au plomb. En revanche, il est possible d'essayer de dissoudre les cristaux des batteries ouvertes en les chargeant par choc avec une tension élevée ; certains chargeurs proposent des programmes de désulfatation spéciaux à cet effet. Ce processus entraîne la formation de gaz d'explosion et la perte d'électrolyte, c'est pourquoi il faut ajouter de l'eau distillée. Dans le cas des batteries gel ou AGM, les sulfates formés ne peuvent pas être supprimés. Les programmes de désulfatation ne doivent pas être utilisés pour ces types.
Si l'on considère que la durée de vie des accumulateurs au plomb est de 400 cycles malgré la sulfatation, chaque ampère-heure coûte entre 1,5 et 2,5 centimes d'euro, alors que le lithium est la solution la plus économique avec un centime d'euro par ampère-heure et par cycle. Les accumulateurs au lithium peuvent être tout à fait judicieux sur le plan économique, mais ils ne sont généralement rentables qu'après de nombreuses années.
Si la charge est effectuée avec l'alternateur, le temps de charge est réduit, ce qui permet de réaliser des économies de carburant, sans parler de la réduction des émissions de CO2.
Le système électrique
Si des batteries au lithium doivent être utilisées, il faut repenser l'ensemble du concept d'alimentation électrique à bord. L'installation de batteries au lithium pour réduire le temps de charge, par exemple, sera décevante si l'alternateur n'est pas conçu pour fournir en permanence des courants de charge élevés. De même, l'autonomie d'un générateur diesel de 230 volts, aussi grand soit-il, ne sera pas réduite si celui-ci est relié à un chargeur dont la capacité de charge est largement inférieure à celle possible de l'accumulateur.
Il peut donc être très utile de monter un deuxième alternateur de grande puissance sur le moteur. Il devrait avoir une caractéristique de charge pour les batteries au lithium et fournir un nombre élevé d'ampères, même lorsqu'il est chaud. Effet secondaire : si l'un des systèmes de charge est défectueux, l'alternateur qui fonctionne encore peut charger les batteries du moteur et des consommateurs au moyen d'une commutation ou d'un câblage provisoire.
Enfin, tous les câbles, fusibles et contacts à bord doivent être contrôlés et remplacés si nécessaire. En effet, lorsque des courants de charge élevés circulent soudainement, l'ensemble du système doit être bien coordonné.
