Enquête sur les énergies électriques

Comparaison des avantages des batteries plomb-acide et des batteries lithium-ion

Quel est le meilleur choix pour les chariots élévateurs électriques, vaut-il mieux utiliser une batterie au plomb-acide ou une batterie lithium-ion ? La réponse dépend de votre application et de vos priorités. Mark Nicholson résume les avantages et les inconvénients. Premier constat : les batteries au plomb-acide restent les plus utilisées.

Bien que les batteries lithium-ion (Li-ion) offrent de nouvelles perspectives enthousiasmantes, la technologie plomb-acide, grâce à de nouvelles innovations, continue à se développer. Les grands fabricants d’équipement de manutention, comme Cat® Lift Trucks, étudient toutes les technologies disponibles pour choisir les meilleures solutions pour leurs clients. Certes, les batteries Lithium-ion sont de plus en plus présentes dans les chariots Cat® mais, pour l’instant, le plomb-acide est considéré comme étant la meilleure option dans la plupart des cas.

Les différentes technologies du marché

Le choix ne se limite pas au Li-ion et au plomb-acide. Dans chacune de ces grandes catégories, il y existe de nombreuses variantes, qui proposent des capacités très variables. Voici un résumé simplifié :

Batteries plomb-acide ouvertes

C’est le type de batterie qui alimente la plupart des chariots élévateurs électriques. Ses plaques en plomb, qui servent d’électrodes, sont suspendues dans un liquide électrolyte d’acide sulfurique.

Batteries étanches

On les appelle parfois des batteries étanches VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid en anglais ou Batteries plomb-acide régulées par soupape en français). Pour éviter les rajouts d’eau et les risques de fuites d’acide, l’électrolyte est placé dans un réservoir étanche. Il en existe deux types principaux :

• Batteries au gel – avec un électrolyte sous forme de gel
• Batteries AGM, acronyme de « Absorbed Glass Mat » – Ce qui signifie que l’électrolyte est absorbé ou stabilisé à l’intérieur des buvards en fibre de verre.

La catégorie de batteries étanches AGM a fait l’objet de nombreuses avancées récentes avec, par exemple, du plomb encore plus pur pour les plaques, en les rendant plus fines et en améliorant leurs performances à l’aide de carbone ou d’autres matières. Pour gagner du temps, nous les appellerons simplement des batteries AGM avancées. Il est important de savoir que certaines peuvent égaler ou dépasser les avantages qui, auparavant, étaient considérés réservés aux batteries Li-ion.

Batteries Lithium-ion

Ce type de batterie bénéficie du haut potentiel électrochimique du lithium. On peut considérer ces batteries comme étant étanches. Ses électrodes positives sont faites de composés d’alliage tels que le phosphate de fer lithié ou l’oxyde de cobalt manganèse nickel lithié. Vous les verrez dans les noms et descriptions des batteries Lithium-ion. Le composé spécifique choisi a une grande influence sur le coût, la performance et la durée de vie des batteries. Un des aspects essentiels de toutes les batteries Li-ion est leur système de gestion électronique des batteries (BMS). C’est essentiel pour empêcher la surchauffe, la surcharge, la décharge excessive et d’autres états potentiellement dommageables ou dangereux

Comparaison

Puissance et énergie

La densité énergétique, exprimée en watt-heures par kilogramme ou par litre, est une mesure de la quantité d’énergie que peut contenir une batterie d’un poids ou d’une taille spécifique. Une batterie à haute densité d’énergie peut contenir beaucoup d’énergie et avoir une importante autonomie à dimensions égale. La capacité des batteries peut également être mesurée en ampères-heures.

La puissance massique, exprimée en watt par kilogramme ou par litre, est une mesure de la vitesse à laquelle l’énergie d’une batterie d’un poids ou d’une taille spécifique peut être fournie. Une batterie ayant une densité de puissance élevée peut entraîner et maintenir de manière fiable les courants élevés nécessaires pour des tâches ayant besoin de beaucoup de puissance.

Les batteries Li-ion ont une densité énergétique et une puissance massique très élevée, qui leur permet de stocker et de fournir beaucoup d’énergie tout en prenant très peu de place. Avec leurs avantages de durée d’utilisation et de performance, elles peuvent aussi avoir une forme assez libre, si bien que la forme du chariot n’a pas besoin d’être très influencée par celle de la batterie. Pour le contrepoids, il peut être nécessaire d’ajouter des matières lourdes afin de compenser la légèreté de la batterie.

Avec leur construction massive, les batteries traditionnelles plomb-acide ouvertes ont une densité énergétique assez faible. Cependant, elles ont une puissance massique élevée, ce qui permet de fournir rapidement un courant élevé pour les applications nécessitant beaucoup d’énergie. Les batteries AGM gel et standard ont moins de capacité, mais ce sont des produits AGM avancés égaux ou supérieurs aux batteries plomb-acide pour ce qui est du stockage et de la fourniture d’énergie.

« Je n’ai pas de préférence particulière pour un type de technologie. Je trouve que toutes correspondent à une application qui lui convient bien. Cependant, je crains que le Li-ion n’ait été un peu trop mis en avant, ces derniers temps. Il faut aller au-delà de ce genre de mode et choisir la batterie qui vous convient. »

Terry Kendrew, directeur général d’Impact Handling, distributeur britannique de Cat Lift Truck

Recharge des batteries

Les batteries plomb-acide ouvertes doivent être rechargées plusieurs heures d’affilée. Le temps pour la recharge des batteries types AGM et gel standard sont un peu long encore. Pour les chariots utilisés constamment, cela signifie qu’il faut recharger les batteries après chaque service. Le moment de recharge est essentiel pour la plupart des batteries plomb-acide. Si elles sont rechargées avant d’être déchargées à environ 20 % de leur capacité, leur durée de vie sera raccourcie. Notez que la performance des batteries plomb-acide peut être améliorée en utilisant des chargeurs intelligents qui évitent les sous-charge et les surcharges, diminuent la consommation électrique, réduisent le dégagement d’hydrogène et aide à prolonger la durée de vie des batteries.

Les batteries Li-ion peuvent être chargées à tout moment (pendant la pause déjeuner, par exemple), sans perte de performance ni de longévité, c’est ce que l’on appelle les charges par opportunité.

Cela vaut aussi pour certains produits AGM avancés, mais notez que, dans leur cas, c’est une option pratique plutôt qu’une nécessité. Avec la plupart des batteries Li-ion, vous devez absolument veiller à faire régulièrement des courtes recharges.

Les recharges peuvent être faites grâce à des prises électriques placées à des endroits stratégiques, afin de ne pas perdre de temps à conduire jusqu’à la salle de charge. Si un temps de recharge suffisant est prévu, il est inutile de remplacer les batteries.

Maintenance

La maintenance des batteries Li-ion et des batteries plomb-acide fermées est pratiquement nulle, car il est inutile de leur ajouter de l’eau. Les batteries plomb-acide doivent être contrôlées après chaque recharge, l’appoint d’eau doit être fait si nécessaire. L’utilisation d’un chargeur adéquat peut permettre de prolonger ces intervalles de remises en eau. Certaines batteries ont été conçues spécifiquement pour les intervalles de remise en eau plus longs, tandis que les systèmes d’ajout d’eau automatiques durant les recharges représentent une autre possibilité.

La maintenance des batteries de secours est un problème essentiel pour les batteries plomb-acide ouvertes, car elles perdent leur charge assez vite si elles ne sont pas utilisées. Elles peuvent nécessiter une recharge tous les deux mois pour éviter des niveaux de charge bas dommageables et pour veiller à ce qu’elles soient prêtes à l’emploi. La zone de stockage des batteries doit être adaptée à cet usage. Les nouvelles batteries AGM avancées peuvent être stockées pendant jusqu’à deux ans avant qu’une recharge ne soit nécessaire. La durée de charge en stockage des batteries Lithium-ion est encore plus longue.

« Dans un monde où la réduction de l’empreinte carbone est devenue un objectif quotidien, les récents développements sur nos chariots élévateurs électriques offrent une vraie alternative à nos clients. Néanmoins, une bonne gestion de l’énergie électrique est vitale pour la réussite de cette transition énergétique. Il n’y a aucune raison d’opposer les batteries plomb-acide aux batteries lithium-ion. La clé du succès réside dans la bonne combinaison des technologies de batterie. La bonne batterie dans la bonne application. »

Jean-Jacques Boulet, directeur du marketing d’Aprolis, distributeur français de Cat Lift Truck

Sécurité

Les batteries plomb-acide ouvertes comportent des risques de fuite d’acide et de projection d’acides potentiellement dangereux en cas de contacts. De plus, comme elles produisent de l’hydrogène, gaz explosifs, pendant leur recharge, il est vital de disposer d’une salle de charge bien aérée et de faire preuve de précautions. Les batteries Li-ion et plomb-acide fermées ne présentent pas ces problèmes. La technologie Li-on et AGM avancée limite le besoin de remplacer les batteries et par voie de conséquence limite les risques associés à ces remplacements. Ces risques peuvent aussi être limité en utilisant les dernières générations de batterie.

Il est intéressant de mentionner que les batteries Li-ion peuvent produire des températures très élevées si leurs contrôles électroniques, géré par le BMS, est défaillant. Par mesure de sécurité et pour éviter les dommages, il faut éviter les décharges complètes et aucune machine ne devrait rester sans surveillance si sa batterie Li-ion est entièrement déchargée.

Durée de vie

Les chiffres de longévité des batteries (le nombre de cycles de recharge et décharge possibles durant leur vie) varient fortement entre les produits. En général, les batteries plomb-acide ouvertes durent un peu plus longtemps que les fermées mais, avec les produits AGM avancés, la différence se réduit. Les batteries Li-ion durent beaucoup plus longtemps que les autres, mais il semble que les prédictions de durée de vie pour les Li-ion raccourcissent. Les conditions de fonctionnement difficiles peuvent aussi raccourcir leur vie.

Recyclage

Presque toutes les matières d’une batterie plomb-acide peuvent être recyclées et, parfois, peuvent même être revendues avec un bénéfice. Actuellement, les batteries Li-ion sont beaucoup plus difficiles à recycler. On explore la possibilité de leur donner une seconde vie, dans une application moins exigeante, quand elles ne sont plus aptes à jouer leur rôle original pour les chariots élévateurs. Il peut y avoir de graves problèmes si tout le monde a des difficultés à recycler des centaines, voire des milliers de batteries de chariot élévateur Li-ion.

Rendement énergétique

Les batteries plomb-acide ouvertes doivent être rechargées avec un coefficient de surcharge de à 10 à 20 % pour maintenir une répartition égale de l’acide et réduire les dépôts de sulfate de plomb sur leurs plaques. Les batteries plomb-acide fermées n’ont pas besoin de coefficient de surcharge aussi élevé, ce qui abaisse le coût de la recharge. Les batteries Li-ion sont encore plus efficaces, car elles n’ont pas cette nécessité.

Coût total de possession (TCO)

Les batteries Li-ion sont beaucoup plus chères que les autres. En plus, il faudra tenir compte du coût des points de recharge supplémentaires et de la modernisation de l’infrastructure électronique pour faire face aux pics de demande des chargeurs Li-ion. N’oubliez pas qu’un chariot élévateur ne peut pas passer du plomb-acide au Li-ion : Le matériel doit être adapté à l’usage de la batterie Lithium-ion. La faisabilité de l’adaptation doit être validée et cette dernière a un coût.

Le coût d’élimination possible pour les batteries Li-ion en fin de vie est une dépense supplémentaire qui, pour l’instant, est inconnue. Parmi les batteries plomb-acide, vous paierez davantage pour les produits les plus avancés. Les investissements dans ces technologies seront intéressants, d’un point de vue économique, s’ils vous permettent de réaliser des économies à long terme.

Le Li-ion offre une durée de vie de batterie plus longue et permet de réaliser des économies de rendement énergétique. Les batteries Li-ion (et les produits AGM avancés qui peuvent être rechargés quand le moment se présente) réduisent les interruptions d’utilisation des chariots élévateurs et le coût d’achat et de maintien des batteries de réserve. Les batteries Li-ion et plomb-acide fermées libèrent un espace précieux, car il est inutile de disposer d’une salle de charge aérée, tout en diminuant le temps de maintenance. En ce moment, il y a assez peu de cas où ces économies justifient le coût d’achat plus élevé des batteries Li-ion, mais cela pourrait changer si les prix baissent.