Guide 2022 des systèmes d'alimentation de secours résidentiels par batterie | Types, coûts, avantages...

Même en 2022, le stockage photovoltaïque restera le sujet le plus brûlant, et les batteries de secours résidentielles constituent le segment du solaire qui connaît la croissance la plus rapide, créant de nouveaux marchés et des opportunités d'expansion en matière de rénovation solaire pour les maisons et les entreprises, grandes et petites, dans le monde entier.batterie de secours résidentielleLe stockage de l'énergie est crucial pour toute maison équipée de panneaux solaires, surtout en cas d'intempéries ou d'autres urgences. Plutôt que d'injecter le surplus d'énergie solaire dans le réseau, pourquoi ne pas la stocker dans des batteries pour les situations d'urgence ? Mais comment rentabiliser l'énergie solaire stockée ? Nous vous informerons sur le coût et la rentabilité d'un système de stockage d'énergie domestique et vous présenterons les points clés à prendre en compte lors de l'achat du système le plus adapté à vos besoins. Qu'est-ce qu'un système de stockage d'énergie résidentiel par batterie ? Comment fonctionne-t-il ? Un système de stockage d'énergie par batterie ou photovoltaïque résidentiel constitue un complément utile à une installation photovoltaïque pour optimiser la production d'énergie solaire et jouera un rôle de plus en plus important dans l'accélération de la transition énergétique, en remplaçant les énergies fossiles par les énergies renouvelables. La batterie solaire domestique stocke l'électricité produite par l'énergie solaire et la restitue à l'utilisateur au moment voulu. L'alimentation de secours par batterie est une alternative écologique et économique aux groupes électrogènes. Ceux qui utilisent un système photovoltaïque pour produire leur propre électricité atteindront rapidement ses limites. À midi, le système fournit une abondance d'énergie solaire, mais personne n'est présent à la maison pour l'utiliser. Le soir, en revanche, la demande en électricité est importante, mais le soleil ne brille plus. Pour compenser ce manque, l'électricité, nettement plus chère, est achetée auprès du gestionnaire de réseau. Dans ce contexte, un système de batteries de secours résidentiel est quasiment indispensable. Ainsi, l'électricité non consommée durant la journée est disponible le soir et la nuit. L'électricité autoproduite est donc disponible 24h/24 et 7j/7, quelles que soient les conditions météorologiques. De cette manière, le recours à l'énergie solaire autoproduite peut atteindre 80 %. Le taux d'autosuffisance, c'est-à-dire la part de la consommation électrique couverte par le système solaire, peut atteindre 60 %. Un système de stockage d'énergie domestique est beaucoup plus petit qu'un réfrigérateur et peut être installé au mur dans la buanderie. Les systèmes modernes intègrent une intelligence remarquable qui utilise les prévisions météorologiques et des algorithmes d'apprentissage automatique pour optimiser la consommation du foyer et maximiser son autonomie énergétique. Devenir indépendant sur le plan énergétique n'a jamais été aussi simple, même en restant raccordé au réseau électrique. Les systèmes de stockage d'énergie domestiques sont-ils rentables ? Quels sont les facteurs qui en dépendent ? Le stockage d'énergie par batteries est indispensable au fonctionnement d'une maison alimentée à l'énergie solaire lors des coupures de courant et également la nuit. De plus, les batteries solaires améliorent la rentabilité du système en stockant l'électricité solaire qui serait autrement réinjectée dans le réseau à perte, pour la réutiliser aux heures de pointe, lorsque l'énergie est la plus chère. Le stockage d'énergie domestique protège ainsi le propriétaire d'une installation solaire des défaillances du réseau et préserve la rentabilité du système des fluctuations des prix de l'énergie. La pertinence d'un investissement dépend de plusieurs facteurs : Niveau des coûts d'investissement. Plus le coût par kilowattheure de capacité est bas, plus vite le système de stockage sera rentabilisé. Durée de vie debatterie solaire domestique Une garantie constructeur de 10 ans est courante dans le secteur. Cependant, on prévoit généralement une durée de vie plus longue. La plupart des batteries solaires domestiques au lithium-ion fonctionnent de manière fiable pendant au moins 20 ans. Part de l'électricité autoconsommée Plus le stockage solaire augmente l'autoconsommation, plus il a de chances d'être rentable. Coût de l'électricité achetée auprès du réseau Lorsque les prix de l'électricité sont élevés, les propriétaires de systèmes photovoltaïques réalisent des économies en consommant l'électricité qu'ils produisent eux-mêmes. Dans les prochaines années, les prix de l'électricité devraient continuer d'augmenter ; de ce fait, beaucoup considèrent les batteries solaires comme un investissement judicieux. Tarifs de raccordement au réseau Moins les propriétaires de systèmes solaires reçoivent de revenus par kilowattheure, plus il est avantageux pour eux de stocker l'électricité plutôt que de l'injecter dans le réseau. Au cours des 20 dernières années, les tarifs de l'électricité raccordée au réseau ont régulièrement baissé et cette tendance devrait se poursuivre. Quels types de systèmes de stockage d'énergie par batterie domestique sont disponibles ?? Les systèmes de batteries domestiques offrent de nombreux avantages, notamment la résilience, les économies de coûts et la production d'électricité décentralisée (également appelée « systèmes énergétiques distribués domestiques »). Quelles sont donc les différentes catégories de batteries solaires domestiques ? Comment choisir ? Classification fonctionnelle par fonction de sauvegarde : 1. Alimentation sans coupure (UPS) domestique Il s'agit d'un service d'alimentation de secours de qualité industrielle, indispensable aux hôpitaux, salles informatiques, administrations et forces armées pour le fonctionnement continu de leurs équipements critiques et sensibles. Avec un onduleur domestique, l'éclairage de votre maison ne devrait même pas vaciller en cas de coupure de courant. La plupart des foyers n'ont pas besoin d'un tel niveau de fiabilité, ni l'intention d'en payer le prix, sauf s'ils utilisent des équipements médicaux essentiels à domicile. 2. Alimentation électrique « interruptible » (alimentation de secours pour toute la maison). L'étape suivante après l'onduleur est ce que nous appellerons « alimentation sans coupure », ou IPS. Un IPS permettra à votre maison de continuer à fonctionner grâce à l'énergie solaire et aux batteries en cas de coupure de courant. Cependant, vous subirez une brève interruption (quelques secondes) où tout s'obscurcit ou s'éteint pendant que le système de secours prend le relais. Vous devrez peut-être réinitialiser vos horloges électroniques clignotantes, mais à part cela, vous pourrez utiliser tous vos appareils électroménagers normalement, tant que vos batteries sont chargées. 3. Alimentation électrique de secours (secours partiel). Certains systèmes d'alimentation de secours fonctionnent en activant un circuit d'urgence lorsqu'une coupure de courant est détectée. Cela permet aux appareils électriques de la maison connectés à ce circuit – généralement le réfrigérateur, l'éclairage et quelques prises dédiées – de continuer à fonctionner grâce aux batteries et/ou aux panneaux photovoltaïques pendant la coupure. Ce type d'alimentation de secours est probablement l'une des solutions les plus populaires, raisonnables et économiques pour les foyers du monde entier, car alimenter toute une maison avec un parc de batteries les viderait rapidement. 4. Système solaire et de stockage partiellement hors réseau. Une dernière option intéressante est le système « partiellement autonome ». Le principe est de créer une zone dédiée « hors réseau » au sein de la maison, alimentée en permanence par un système solaire et des batteries suffisamment dimensionnés pour assurer leur autonomie sans consommer d'électricité du réseau. Ainsi, les appareils essentiels de la famille (réfrigérateur, éclairage, etc.) restent alimentés même en cas de coupure de courant, sans aucune interruption. De plus, le système solaire et les batteries étant dimensionnés pour fonctionner indéfiniment sans raccordement au réseau, il n'est pas nécessaire de prévoir la consommation électrique, sauf si des appareils supplémentaires sont branchés sur le circuit autonome. Classification selon la technologie de la chimie des batteries: Batteries au plomb-acide comme système de secours résidentiel Batteries au plomb-acideCe sont les plus anciennes piles rechargeables et les moins chères disponibles sur le marché pour le stockage d'énergie. Apparues au début du XXe siècle, elles restent encore aujourd'hui les piles de prédilection dans de nombreuses applications grâce à leur robustesse et leur faible coût. Leurs principaux inconvénients sont leur faible densité énergétique (elles sont lourdes et encombrantes) et leur courte durée de vie, ne supportant pas un grand nombre de cycles de charge et de décharge. Les batteries au plomb nécessitent un entretien régulier pour équilibrer la chimie de la batterie, ce qui les rend inadaptées aux décharges à moyenne ou haute fréquence ou aux applications d'une durée de 10 ans ou plus. Elles présentent également l'inconvénient d'une faible profondeur de décharge, généralement limitée à 80 % dans des cas extrêmes et à 20 % en fonctionnement normal, afin d'optimiser leur durée de vie. Une décharge excessive dégrade les électrodes de la batterie, réduisant ainsi sa capacité de stockage d'énergie et limitant sa durée de vie. Les batteries au plomb nécessitent un entretien constant de leur état de charge et doivent toujours être stockées à leur état de charge maximal grâce à la technique de maintien de la charge (maintien de la charge avec un faible courant électrique, suffisant pour annuler l'effet d'autodécharge). Ces batteries se déclinent en plusieurs versions. Les plus courantes sont les batteries ventilées, qui utilisent un électrolyte liquide, les batteries à gel régulées par soupape (VRLA) et les batteries à électrolyte intégré dans une natte en fibre de verre (connues sous le nom d'AGM – absorbante à fibre de verre), qui offrent des performances intermédiaires et un coût réduit par rapport aux batteries à gel. Les batteries à régulation par soupape sont pratiquement étanches, ce qui empêche les fuites et le dessèchement de l'électrolyte. La soupape permet l'évacuation des gaz en cas de surcharge. Certaines batteries au plomb sont conçues pour des applications industrielles stationnaires et supportent des cycles de décharge plus profonds. Il existe également une version plus moderne : la batterie plomb-carbone. L’ajout de matériaux à base de carbone aux électrodes permet d’obtenir des courants de charge et de décharge plus élevés, une densité énergétique supérieure et une durée de vie prolongée. L'un des avantages des batteries au plomb (quelle que soit leur variante) est qu'elles ne nécessitent pas de système de gestion de charge sophistiqué (contrairement aux batteries au lithium, que nous verrons plus loin). Les batteries au plomb présentent un risque d'incendie et d'explosion en cas de surcharge bien moindre, car leur électrolyte est ininflammable, contrairement à celui des batteries au lithium. De plus, une légère surcharge n'est pas dangereuse pour ce type de batteries. Certains régulateurs de charge sont même dotés d'une fonction d'égalisation qui surcharge légèrement la batterie ou le parc de batteries, permettant ainsi à toutes les batteries d'atteindre leur pleine charge. Lors du processus d'égalisation, les batteries qui se chargent complètement avant les autres verront leur tension augmenter légèrement, sans risque, tandis que le courant circulera normalement dans l'ensemble des éléments en série. Ainsi, on peut affirmer que les batteries au plomb s'égalisent naturellement et que de légers déséquilibres entre les batteries d'un même système ou d'un banc de batteries ne présentent aucun risque. Performance:Le rendement des batteries au plomb est bien inférieur à celui des batteries au lithium. Bien que ce rendement dépende de la vitesse de charge, on considère généralement un rendement aller-retour de 85 %. Capacité de stockage :Les batteries au plomb-acide existent dans une gamme de tensions et de tailles, mais pèsent 2 à 3 fois plus par kWh que les batteries au lithium fer phosphate, selon la qualité de la batterie. Coût de la batterie :Les batteries au plomb sont 75 % moins chères que les batteries lithium-fer-phosphate, mais attention à ne pas vous laisser tromper par leur prix bas. Ces batteries ne se chargent et ne se déchargent pas rapidement, ont une durée de vie bien plus courte, ne disposent pas de système de gestion de la batterie et peuvent nécessiter un entretien hebdomadaire. Il en résulte un coût total par cycle plus élevé qu'il n'est raisonnable de l'utiliser pour réduire les coûts énergétiques ou alimenter des appareils à forte consommation. Batteries au lithium comme système de secours résidentiel Actuellement, les batteries les plus performantes sur le plan commercial sont les batteries lithium-ion. Après avoir été appliquée aux appareils électroniques portables, la technologie lithium-ion s'est imposée dans les domaines des applications industrielles, des systèmes d'alimentation électrique, du stockage d'énergie photovoltaïque et des véhicules électriques. Batteries lithium-ionElles surpassent de nombreux autres types de batteries rechargeables à bien des égards, notamment en termes de capacité de stockage d'énergie, de nombre de cycles de charge/décharge, de vitesse de charge et de rapport coût-efficacité. Actuellement, le seul problème réside dans la sécurité : les électrolytes inflammables peuvent s'enflammer à haute température, ce qui impose l'utilisation de systèmes électroniques de contrôle et de surveillance. Le lithium est le plus léger de tous les métaux, possède le potentiel électrochimique le plus élevé et offre des densités énergétiques volumiques et massiques supérieures à celles des autres technologies de batteries connues. La technologie lithium-ion a permis de stimuler l'utilisation des systèmes de stockage d'énergie, principalement associés aux sources d'énergie renouvelables intermittentes (solaire et éolienne), et a également favorisé l'adoption des véhicules électriques. Les batteries lithium-ion utilisées dans les systèmes d'alimentation et les véhicules électriques sont de type liquide. Ces batteries utilisent la structure traditionnelle d'une batterie électrochimique, avec deux électrodes immergées dans une solution électrolytique liquide. Des séparateurs (matériaux isolants poreux) sont utilisés pour séparer mécaniquement les électrodes tout en permettant la libre circulation des ions à travers l'électrolyte liquide. La principale caractéristique d'un électrolyte est de permettre la conduction du courant ionique (formé par des ions, atomes possédant un excès ou un déficit d'électrons), tout en empêchant le passage des électrons (contrairement aux matériaux conducteurs). L'échange d'ions entre les électrodes positive et négative est le principe de fonctionnement des batteries électrochimiques. Les recherches sur les batteries au lithium remontent aux années 1970, et la technologie a mûri et a commencé à être utilisée commercialement vers les années 1990. Les batteries lithium-polymère (à électrolyte polymère) sont désormais utilisées dans les téléphones portables, les ordinateurs et divers appareils mobiles, remplaçant les anciennes batteries nickel-cadmium, dont le principal défaut est l'« effet mémoire » qui réduit progressivement leur capacité de stockage lorsqu'on les recharge avant qu'elles ne soient complètement déchargées. Comparées aux anciennes batteries nickel-cadmium, notamment aux batteries au plomb, les batteries lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée (stockent plus d'énergie par volume), un coefficient d'autodécharge plus faible et peuvent supporter un plus grand nombre de cycles de charge et de décharge, ce qui signifie une longue durée de vie. Au début des années 2000, les batteries au lithium ont commencé à être utilisées dans l'industrie automobile. Vers 2010, les batteries lithium-ion ont suscité un intérêt croissant pour le stockage de l'énergie électrique dans les applications résidentielles.systèmes de stockage d'énergie (ESS) à grande échelle, principalement en raison de l'utilisation accrue de sources d'énergie à l'échelle mondiale. Énergies renouvelables intermittentes (solaire et éolienne). Les performances, la durée de vie et le coût des batteries lithium-ion varient selon leur fabrication. Plusieurs matériaux ont été proposés, principalement pour les électrodes. Une batterie au lithium se compose généralement d'une électrode métallique à base de lithium qui forme la borne positive de la batterie et d'une électrode en carbone (graphite) qui forme la borne négative. Selon la technologie utilisée, les électrodes à base de lithium peuvent présenter différentes structures. Les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication des batteries au lithium et leurs principales caractéristiques sont les suivants : Oxydes de lithium et de cobalt (LCO) :Énergie spécifique élevée (Wh/kg), bonne capacité de stockage et durée de vie satisfaisante (nombre de cycles), convient aux appareils électroniques, l'inconvénient est une faible puissance spécifique (W/kg), réduisant la vitesse de chargement et de déchargement ; Oxydes de lithium et de manganèse (LMO) :permettent des courants de charge et de décharge élevés avec une faible énergie spécifique (Wh/kg), ce qui réduit la capacité de stockage ; Lithium, nickel, manganèse et cobalt (NMC) :Cette batterie combine les propriétés des batteries LCO et LMO. De plus, la présence de nickel dans sa composition contribue à augmenter son énergie spécifique, offrant ainsi une capacité de stockage supérieure. Le nickel, le manganèse et le cobalt peuvent être utilisés en proportions variables (pour renforcer l'un ou l'autre) selon l'application. Au final, cette combinaison permet d'obtenir une batterie performante, à la capacité de stockage élevée, à longue durée de vie et économique. Lithium, nickel, manganèse et cobalt (NMC) :Elle combine les caractéristiques des batteries LCO et LMO. De plus, la présence de nickel dans sa composition contribue à augmenter son énergie spécifique, offrant ainsi une capacité de stockage supérieure. Le nickel, le manganèse et le cobalt peuvent être utilisés en proportions variables, selon l'application (afin de privilégier une caractéristique plutôt qu'une autre). En général, cette combinaison permet d'obtenir une batterie performante, d'une grande capacité de stockage, d'une longue durée de vie et d'un coût modéré. Ce type de batterie est largement utilisé dans les véhicules électriques et convient également aux systèmes de stockage d'énergie stationnaires. Phosphate de fer lithié (LFP) :La technologie LFP offre aux batteries de bonnes performances dynamiques (vitesse de charge et de décharge), une durée de vie prolongée et une sécurité accrue grâce à sa bonne stabilité thermique. L'absence de nickel et de cobalt dans leur composition réduit leur coût et facilite leur production en série. Bien que leur capacité de stockage ne soit pas la plus élevée, elles ont été adoptées par les constructeurs de véhicules électriques et de systèmes de stockage d'énergie en raison de leurs nombreux avantages, notamment leur faible coût et leur grande robustesse. Lithium et titane (LTO) :Ce nom désigne les batteries dont l'une des électrodes est composée de titane et de lithium, en remplacement du carbone, tandis que la seconde électrode est identique à celle utilisée dans d'autres types de batteries (comme les batteries NMC – lithium, manganèse et cobalt). Malgré une faible énergie spécifique (qui se traduit par une capacité de stockage réduite), cette combinaison offre de bonnes performances dynamiques, une sécurité accrue et une durée de vie considérablement améliorée. Ces batteries peuvent supporter plus de 10 000 cycles de fonctionnement à 100 % de profondeur de décharge, contre environ 2 000 cycles pour les autres types de batteries au lithium. Les batteries LiFePO4 surpassent les batteries au plomb-acide grâce à leur stabilité cyclique exceptionnelle, leur densité énergétique maximale et leur poids minimal. Si elles sont régulièrement déchargées à 50 % de leur capacité puis rechargées complètement, les batteries LiFePO4 peuvent supporter jusqu'à 6 500 cycles de charge. L'investissement initial est donc rentable à long terme, et leur rapport qualité/prix reste imbattable. Elles constituent le choix idéal pour une utilisation continue comme batteries solaires. Performance:La charge et la décharge de la batterie présentent une efficacité de cycle totale de 98 % tout en étant rapidement chargées et déchargées en moins de 2 heures, voire plus rapidement pour une durée de vie réduite. capacité de stockage: les batteries lithium-fer-phosphate peuvent avoir une capacité supérieure à 18 kWh, ce qui permet de gagner de la place et de peser moins qu'une batterie au plomb de même capacité. coût de la batterieLes batteries au phosphate de fer lithié coûtent généralement plus cher que les batteries au plomb-acide, mais leur coût de cycle est généralement inférieur grâce à leur plus grande durée de vie.