Dimensionnement d'une batterie

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   3ème étape du dimensionnement d’une installation photovoltaïque autonome :

   le dimensionnement de son parc de batterie


   

   Cette étape est la troisième car il faut d’abord connaître sa consommation d’électricité, et avoir calculé la production des modules que l’on installera. Pour dimensionner ses batteries, il ne reste plus qu’à se poser trois questions : quelle est la quantité d'énergie que je dois stocker au minimum pour couvrir mes besoins, quelle est la durée d'autonomie que je vais choisir en cas de problème avec mon installation, et à quel point vais-je solliciter les batteries (choisir la profondeur de décharge) ? En fonction de tous ces critères, il sera alors possible de calculer la capacité des batteries.


Quantité d'énergie théorique à stocker

   Les batteries servent à stocker l'énergie car il est rare que l'électricité soit produite en même temps que l'on en a besoin. Dans ce paragraphe, on parle de quantité théorique d'énergie à stocker car il s'agit du minimum nécessaire pour couvrir les besoins définis à la première étape (Calculer ses besoins en électricité). En réalité, la capacité de la batterie est toujours supérieure (nous verrons pourquoi dans les paragraphes "autonomie" et "profondeur de décharge").

   A certaines périodes de l'année, l'hiver en général, les modules ne peuvent pas produire autant d'énergie qu'il en est consommé. Il faut donc stocker leur production excédentaire antérieure. Pour connaître la quantité d'énergie à stocker, il existe deux méthodes en fonction de la situation: une méthode simple et rapide lorsque les cycles de consommation sont parfaitement réguliers, et une méthode générale, plus longue à appliquer, mais utilisable dans n'importe quelle situation.


CYCLES RÉGULIERS

   Lorsque les cycles sont réguliers, la quantité théorique d'énergie à stocker est égale à la production journalière des modules multiplier par le nombre de jour de charge. Il faut utiliser la production journalière des modules des mois de décembre/janvier, car c'est à cette période que la production est la plus faible.

   Pour s'en assurer, commençons par visualiser ce graphique représentant le niveau de charge d'une batterie dans une installation photovoltaïque. Les cycles de consommation y sont réguliers : trois semaines de charge suivies d'une semaine de décharge. On pourrait utiliser n'importe quel autre rythme (cinq jour de charge et deux jours de décharge pour un cycle d'une semaine par exemple). A chaque période de décharge, l'énergie consommée est toujours la même.

   Dans cet exemple, en été, les modules produisent autant d'énergie qu'il en est consommé. Les batteries sont donc presque constamment chargées. C'est en hiver que les batteries sont le plus utiles et qu'elles sont utilisées à 100% de leur capacité. A peine ont-elles fini de se recharger qu'une nouvelle période de décharge commence. Ce qu'elles doivent stocker, c'est toute la production non utilisée des modules pendant les mois de décembre/janvier. Autrement dit :

   Ã‰nergie stockée = production journalière des modules x nombre de jour de charge.


CYCLES IRRÉGULIERS

   Dans ce cas, pour connaître la quantité théorique d'énergie à stocker, il faut soustraire à la consommation de chaque cycle la quantité d'électricité produite par les modules pendant la période de décharge. Contrairement aux cycles réguliers, il faut également intégrer les pertes du système en majorant la consommation d'environ 15%. La capacité des batteries qu'il faut choisir est alors celle du cycle où la quantité d'énergie à stocker est la plus élevée.

   Dans l'exemple ci-dessus, il y a quatre cycles de consommation :


   charge en janvier et début février ; décharge la dernière semaine de février

   charge en mars et début avril ; décharge les deux dernières semaines d'avril

   charge en mai et juin ; décharge en juillet et août

   charge en septembre et début octobre ; décharge la dernière semaine d'octobre


   Il y a donc quatre calculs à effectuer :


   (Consommation de la dernière semaine de février + 15%) - production des modules pendant la dernière semaine de février

   (Consommation des deux dernières semaines d'avril + 15%) - production des modules pendant les deux dernières semaines d'avril

   (Consommation des mois de juillet et août + 15%) - production des modules pendant juillet et août

   (Consommation de la dernière semaine d'octobre + 15%) - production des modules pendant la dernière semaine d'octobre


   En regardant le graphique, on remarque que ce n'est pas forcément en hiver que les batteries sont le plus utiles. En effet, c'est à la fin du mois d'août qu'elles atteignent leur minimum de niveau de charge. Si nous avions utilisé de véritables chiffres dans cet exemple, et que nous avions fait les calculs, nous aurions obtenu un résultat beaucoup plus élevé pour le troisième cycle. C'est ce résultat qu'il faut utiliser pour le calcul de la capacité des batteries.

   Ã‰nergie stockée = (consommation pendant la décharge + pertes du système) - (production journalière des modules x nombre de jour de décharge)



Consulter un exemple plus détaillés


Autonomie (pour les utilisations continues)

   L’autonomie d’une installation photovoltaïque est le nombre de jours pendant lesquels les batteries initialement chargées peuvent assurer les besoins en électricité sans que les modules ne fonctionnent. Autrement dit, lorsque les modules ne produisent plus (nuit, panne, mauvais temps …), les batteries peuvent continuer de restituer de l'électricité pendant quelques jours. Il faut donc se demander combien de temps on souhaite avoir de l’énergie en cas de problèmes. En général, on peut partir sur une base de quatre jours d’autonomie. Bien entendu, cela dépend fortement de l’usage que l’on a de son installation et des conditions météorologiques. Cependant, même lorsque le soleil est caché, les modules continuent de produire de l’électricité grâce au peu de lumière qu’ils reçoivent. Avec quatre jours d’autonomie en réserve, on peut donc affronter deux semaines de mauvais temps.

   Cet exemple illustre l'utilité de l'autonomie. Comme on peut le voir, à la fin du 6ème jour, les modules cessent brusquement de produire de l'énergie. Ils peuvent être tombés en panne, être recouvert de feuilles ou de neige... Malgré tout, avec leur quatre jours d'autonomie, les batteries vont continuer d'assurer le fonctionnement du système en attendant qu'une solution soit trouvée.

   Dans ce cas, les modules fonctionnent toujours mais de gros intempéries réduisent leur production à partir du 3ème jour. L'autonomie des batteries va permettre de compenser cette chute de production jusqu'au retour à la normale.

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Profondeur de décharge (pour les utilisations périodiques)

   Pour déterminer la profondeur de décharge que l’on veut imposer à sa batterie, il faut arbitrer entre deux facteurs :

  1. Tout d’abord, plus on permet aux batteries de se décharger profondément, plus on réduit le nombre de batteries nécessaires. En effet, une batterie que l’on décharge à 100% fournie autant d’énergie que deux batteries identiques que l’on décharge à 50%. On économise donc sur le coût initial de l’installation.
  2. Cependant, la durée de vie d’une batterie est directement proportionnelle à sa profondeur de décharge. Ainsi, une batterie que l’on décharge à 100% vivra deux fois moins longtemps qu’une batterie que l’on décharge à 50%.

   Le juste milieu que l’on choisit généralement d’appliquer se situe donc entre 60 et 80% de décharge, ce qui permet de réduire le nombre de batteries tout en leur assurant une bonne espérance de vie.

   Cet exemple illustre l'utilité de limiter la profondeur de décharge. Cela permet d'une part de prolonger la durée de vie de la batterie, mais cela permet également d'avoir une réserve de sécurité. Dans notre cas, le niveau de charge des batteries aurait du suivre la courbe orange, mais il y a eu une surconsommation imprévue en été. En augmentant la profondeur de décharge, on a pu faire face à cette surconsommation, mais ce genre de phénomène doit rester très exceptionnel. Si cela devait se reproduire à chaque fois, il faudrait sérieusement envisager d'augmenter la capacité des batteries ou des modules.

   L'autonomie et la profondeur de décharge n'ont pas vraiment la même fonction, mais elles permettent toutes les deux d'avoir une marge de sécurité en cas de gros imprévu. Il n'est donc pas nécessaire de les cumuler. Par exemple, si on choisit une autonomie de 4 jours dans le cadre d'une utilisation continue, la profondeur de décharge ne dépassera jamais 20% étant donné qu'il y aura toujours 4 jours d'énergie stockée d'avance. En cas de problèmes, il n'est pas dramatique de vider entièrement les batteries à condition que cela reste relativement rare et qu'elles puissent se recharger rapidement. Pour les installations dont l'utilisation sera périodique (weekend, vacances), la profondeur de décharge peut également servir de réserve d'urgence et remplacer l'autonomie. En effet, rien n'empêche la batterie de se vider complètement : la profondeur de décharge n'est qu'un seuil que l'on choisit de ne pas dépasser dans le cadre d'une utilisation normale.

   On utilise donc plutôt l'autonomie dans les utilisations continues, et la profondeur de décharge dans les utilisations périodiques. Dans les formules que nous allons vous présenter nous utilisons les deux, mais vous avez la possibilité de n'utiliser que l'une ou l'autre de ces sécurité.

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Capacité de la batterie

   Jusqu'à présent nous avons utilisé le Wh comme unité dans nos calculs, mais la capacité d'une batterie s'exprime davantage en Ampère-heure (Ah). Pour convertir vos résultats, il suffit de les diviser par la tension des batteries :



   Les batteries que vous allez choisir doivent tenir compte des précédents paramètres. Pour cela, il faut les intégrer dans l'équation permettant de définir la capacité de la batterie :




   Bon à savoir : comme nous l'avions dit dans l'article précédent (Dimensionnement d'un module photovoltaïque), une installation photovoltaïque autonome produit beaucoup plus d'énergie en été qu'en hiver. On peut donc envisager d'augmenter sa consommation à cette période. En toute logique, on peut dire que c'est forcément le cas pour les utilisations continues et périodiques régulières. Il faudra cependant refaire les calculs dans le sens inverse (en connaissant la puissance du module et la capacité de la batterie) pour savoir de combien d'énergie supplémentaire on dispose. En ce qui concerne les utilisations périodiques irrégulières, cela dépend : on ne dispose pas forcément de surplus d'énergie. Il faut forcément refaire tous les calculs en fonction des données obtenus. Dans tous les cas, nous vous invitons fortement à le faire car cela peu réserver de bonnes surprises.


   Vous pouvez consulter un exemple de calcul pour site isolé en suivant ce lien, un exemple de calcul pour camping car en suivant ce lien, ou passer à la quatrième étape en suivant ce lien.


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