Les services publics et les installations industrielles dépendent d’une alimentation de secours fiable et résiliente en cas de panne du réseau. La technologie des batteries est un maillon crucial de la chaîne, agissant comme la principale source de stockage et de libération d’énergie pour les alimentations sans coupure et pour d’autres applications. Les batteries au plomb pur, telles que les plaques minces de plomb pur (tppl), sont devenues une technologie éprouvée pour les installations essentielles, mais elles doivent être dimensionnées et entretenues correctement. Cet e-guide explique les avantages des batteries tppl pour les applications utilitaires et industrielles et fournit une approche des meilleures pratiques pour la mise en œuvre de telles solutions afin d’optimiser la disponibilité et de réduire les coûts tout au long de leur durée de vie.
COMMENT LA TECHNOLOGIE MODERNE DES BATTERIES AU PLOMB PUR À PLAQUE MINCE FOURNIT LA CLÉ
INTRODUCTION
Les batteries sont essentielles à l’approvisionnement flexible en énergie à l’intérieur des installations industrielles et des services publics.
Dans les sous-stations électriques, par exemple, les batteries fournissent une sauvegarde critique dans le cadre d’une alimentation sans coupure (UPS) en cas de défaillance du réseau, assurant ainsi un fonctionnement continu de l’équipement. Ils pourraient également être utilisés pour d’autres activités telles que le nivellement de la charge et l’écrêtement des pointes, ainsi que pour l’intégration d’énergies renouvelables provenant de sources imprévisibles telles que les parcs éoliens.
Entre-temps, les batteries sont également utilisées dans un large éventail d’applications dans les usines de fabrication du monde entier. Ils peuvent potentiellement fournir un moyen très efficace de stockage d’énergie pour réduire la demande de pointe pendant les heures de pointe, réduisant ainsi les coûts d’électricité.
En bref, les batteries sont considérées comme une technologie éprouvée qui peut fournir une énergie flexible, fiable et durable à la demande, tant dans les services publics que dans les applications industrielles. Les recherches montrent que le marché des batteries pour des applications telles que les services publics et l’industrie était évalué à 21,2 milliards de dollars en 2023 et devrait atteindre 34,7 milliards de dollars d’ici 2029 , soit un taux de croissance annuel composé de 10,3 %. Les batteries sont un secteur d’activité important et le resteront à mesure que les utilisateurs finaux de l’industrie et des services publics cherchent de plus en plus à électrifier leurs opérations.
Ce guide électronique fournit une explication opportune des avantages des batteries pour les applications utilitaires et industrielles, en se concentrant spécifiquement sur les chimies de plomb pur bien établies telles que le plomb pur à plaque mince (TPPL). Il fournit également une approche des meilleures pratiques pour la mise en œuvre de ces batteries dans les installations industrielles et de services publics afin d’obtenir une disponibilité maximale et de réduire les coûts tout au long de leur durée de vie.
LES BATTERIES INONDÉES ONT LEURS INCONVÉNIENTS
Historiquement, pour les utilisateurs de batteries nécessitant un flotteur de secours, où une charge flottante est utilisée pour maintenir constamment les batteries dans un état de charge complet afin qu’elles soient prêtes à réagir à toute interruption de l’alimentation secteur, la durée de vie des batteries était considérée comme le critère le plus important. Jusqu’à présent, la plupart de ces applications dépendaient principalement de l’utilisation de batteries au plomb inondées conventionnelles telles que les batteries au plomb ventilées (VLA). Bien que ces batteries aient un attrait en termes de longévité, certains inconvénients deviennent plus apparents.
Tout d’abord, alors que la densité d’énergie requise peut être obtenue en dimensionnant correctement les batteries VLA, les batteries TPPL ont une densité d’énergie plus élevée et fournissent plus de puissance pour le même encombrement. Il s’agit d’une considération importante pour les mises en œuvre de plus en plus limitées dans les installations industrielles et de services publics.
Deuxièmement, la ventilation est nécessaire pour les types de batteries inondées, ce qui peut avoir des implications en matière d’aménagement. Les batteries inondées nécessitent également un entretien périodique, l’électrolyte devant être régulièrement rempli. Enfin, les batteries TPPL acceptent une recharge plus rapide que les VLA, ce qui est utile si d’autres pannes se produisent à peu de temps.
Ainsi, les opérateurs de services publics et d’installations industrielles se tournent désormais vers d’autres types de batteries industrielles qui combinent longévité, densité d’énergie et faible maintenance. Par conséquent, les batteries au plomb régulées par soupape (VRLA), en particulier le TPPL, trouvent un attrait dans cette catégorie.
COMPRENDRE LE PASSAGE AU TPPL
Le développement des batteries VRLA a permis de surmonter de nombreuses limitations de la VLA. En incorporant des séparateurs AGM (Absorbent Glass Mat) entre leurs électrodes, VRLA a été en mesure d’atténuer les pertes d’eau d’électrolyte (et l’effort de maintenance qui en découle). Ces batteries atteignent également des densités d’énergie considérablement plus élevées que les cellules VLA (inondées) et ont des besoins de ventilation beaucoup plus faibles, ce qui signifie que les batteries peuvent être installées à côté de l’équipement qu’elles alimentent. Les batteries VRLA n’ont plus besoin d’être maintenues en position verticale, mais peuvent être orientées selon l’application. Comme la possibilité de déversement d’électrolyte est éliminée, ils sont plus faciles à transporter.
Les premières batteries utilisaient des réseaux comprenant des matériaux tels que le plomb-calcium (qui sont encore utilisés dans certaines applications aujourd’hui). Cependant, il est important de noter que l’intégrité du réseau des batteries plomb-calcium et TPPL se détériore au fil du temps en raison de la corrosion. La principale différence réside dans le mécanisme et la vitesse de corrosion ; Les grilles plomb-calcium ont tendance à se corroder plus rapidement que le TPPL en raison de leur taille de grain et de leurs inclusions.
L’avènement de la technologie TPPL a permis de faire progresser avec succès les batteries VRLA de manière significative à d’autres égards. L’épaisseur réduite des plaques des batteries TPPL leur permet d’être étroitement emballées les unes contre les autres, ce qui offre une grande surface réactive et une faible résistance interne, ce qui améliore les densités de puissance. Par conséquent, les batteries TPPL peuvent être rechargées rapidement et sont capables de fournir des pics de courant élevés sans aucune chute de tension.
LES BATTERIES TPPL PEUVENT ÊTRE RECHARGÉES RAPIDEMENT ET SONT CAPABLES DE FOURNIR DES PICS DE COURANT ÉLEVÉS SANS AUCUNE CHUTE DE TENSION, LES BATTERIES TPPL SONT ÉGALEMENT SANS ENTRETIEN.
Les batteries TPPL ne nécessitent pas non plus d’entretien. Ils sont équipés de soupapes de surpression qui permettent la recombinaison des gaz et ne s’ouvrent que lorsque la pression interne dépasse un seuil prédéterminé. Contrairement à d’autres types de batteries, les batteries TPPL n’ont pas de capuchons ou d’ouvertures amovibles pour l’ajout d’eau, car elles ne nécessitent pas d’être remplies d’eau, ce qui élimine l’entretien et permet de réduire la consommation d’eau. Un autre avantage est la technologie AGM, qui absorbe l’électrolyte dans un séparateur à tapis de verre entre les plaques. Cette conception empêche l’électrolyte de s’évaporer ou de se répandre, éliminant ainsi le besoin de faire l’appoint.
De plus, leurs émissions de gaz sont extrêmement faibles. Ils ont une longue durée de vie, en particulier lorsqu’ils sont soumis à des microcycles répétés de décharge suivis d’un fonctionnement en état de charge partiel, en prévision de la prochaine panne. Les faibles taux d’autodécharge permettent également de stocker la batterie pendant de longues périodes.
COMMENT ADAPTER LES SOLUTIONS TPPL
La conception inhérente des batteries TPPL permet aux utilisateurs des services publics et de l’industrie de sélectionner et d’installer une solution qui peut offrir de multiples avantages, notamment une durée de vie prolongée, une meilleure acceptation de la charge, une fiabilité élevée et une construction robuste tout en maximisant le temps de fonctionnement et en réduisant la maintenance. Cette sélection peut faciliter la vie des ingénieurs de maintenance et des autres membres de l’équipe au sein de ces usines. L’adoption de TPPL peut augmenter la résilience, réduire les risques, améliorer les coûts tout au long du cycle de vie et mieux utiliser les ressources des équipes de maintenance.
Voyons plus en détail comment l’adoption des batteries TPPL peut offrir des avantages en termes de performances dans les applications utilitaires et industrielles. La première étape du parcours consiste à ajuster la taille du design. Avec de nombreuses années d’expérience dans le domaine des batteries, EnerSys s’appuie sur des équipes techniques hautement compétentes et expérimentées pour aider à guider les utilisateurs finaux vers la sélection de produits la plus appropriée. Cette approche collaborative garantit que les systèmes de batteries optimisés sont correctement dimensionnés pour leurs applications. Ces équipes d’assistance adoptent une approche technologiquement agnostique de la spécification des batteries, avec une large gamme garantissant que la bonne batterie, et pas n’importe laquelle, est choisie.
De plus, les outils de dimensionnement de batterie en ligne fournissent un point de départ éclairé. Ces outils, associés aux calculateurs d’empreinte carbone et de coût total de possession (TCO), permettent de déterminer les meilleures options de configuration pour les racks, les accessoires et les différentes configurations de salle. Ceci est particulièrement important dans les installations industrielles et de services publics où l’espace est limité et les conditions environnementales peuvent varier considérablement.
EnerSys a une longue expérience sur les marchés des services publics et de l’industrie, elle a donc développé une connaissance globale des technologies de batteries. Les équipes techniques sont encouragées à établir des relations durables et à travailler en partenariat avec les utilisateurs finaux. Cette relation de « conseiller de confiance » garantit que les utilisateurs finaux choisissent des architectures de batterie appropriées dans la configuration appropriée pour tout déploiement.
FACILITER LA VIE DES ÉQUIPES DE MAINTENANCE
Une fois sélectionnées et installées sur le terrain, les batteries TPPL peuvent prendre en charge des activités de maintenance plus rationalisées, améliorant ainsi l’efficacité des opérations globales du site. En règle générale, les responsables et les opérateurs de maintenance sont des personnes occupées. Ils jouent un rôle pratique extraordinairement diversifié, effectuant des inspections de routine et de la maintenance préventive selon diverses stratégies et calendriers sur site. Les batteries ne sont qu’une partie d’un réseau complexe de technologies interconnectées. Et lorsqu’ils sont sous-performants ou échouent, il faut beaucoup de temps et de ressources pour les remettre en ligne.
La gestion de la logistique des calendriers de maintenance, en particulier pour les systèmes à grande échelle tels que les centrales électriques ou les usines de fabrication, peut être extrêmement difficile. Ainsi, le fonctionnement sans entretien des batteries TPPL est une considération essentielle. Comme mentionné précédemment, leurs caractéristiques de conception inhérentes signifient qu’ils ne nécessitent pas d’arrosage régulier ou de contrôles électrolytiques, ce qui réduit le besoin de visites d’entretien sur site. Cette caractéristique réduit considérablement la fréquence des déplacements des entrepreneurs extérieurs sur le site, minimisant ainsi les perturbations logistiques des opérations et réduisant les coûts d’entretien à long terme. En effet, on estime que le TPPL peut permettre de réaliser jusqu’à 50 % d’économies sur les coûts de maintenance par rapport aux batteries inondées traditionnelles tout au long de leur durée de vie, ainsi que l’avantage associé en matière de durabilité créé par la réduction des « déplacements de camions ».
LES AVANTAGES D’UNE DURÉE DE VIE ÉPROUVÉE SUR LE TERRAIN
Le TPPL offre également une durée de vie plus longue que les batteries plomb-calcium traditionnelles. Moins de pièces de rechange peut équivaloir à un meilleur coût total de possession. Par exemple, les remplacements des batteries TPPL sont généralement enregistrés à 8-9 ans, contre 3-5 ans pour les autres technologies. Ces facteurs signifient que les batteries TPPL doivent être remplacées moins fréquemment une fois installées, ce qui réduit le besoin de visites sur site externes et les temps d’arrêt associés. Il s’agit là de considérations essentielles pour les équipes de maintenance, dont les ressources peuvent être mieux utilisées ailleurs.
CETTE INNOVATION DE CONCEPTION SIGNIFIE QUE LES BATTERIES TPPL PEUVENT ATTEINDRE DES NIVEAUX DE CAPACITÉ PLUS ÉLEVÉS ET DES DURÉES DE FONCTIONNEMENT PLUS LONGUES AVEC DES UNITÉS PLUS PETITES, MÊME LORSQUE LES TAUX DE DÉCHARGE AUGMENTENT, CE QUI LES REND PLUS EFFICACES ET DURABLES QUE LES BATTERIES AU PLOMB TRADITIONNELLES.
TPPL offre une avancée significative dans la technologie plomb-acide VRLA en réduisant la corrosion du réseau, un problème courant qui entraîne une réduction de la durée de vie et des performances de la batterie.
Dans les batteries au plomb traditionnelles, le réseau positif, composé de plomb ou d’alliages de plomb, prend en charge le matériau actif positif (PAM) de la batterie et conduit l’électricité. Cependant, cette grille est sujette à la corrosion en raison de son fonctionnement dans un environnement d’acide sulfurique, ce qui entraîne une perte de conductivité et une augmentation du volume de la grille à mesure que le plomb se transforme en oxydes de plomb moins denses. Cette corrosion réduit la capacité de la batterie à conduire le courant et provoque une croissance physique du réseau, ce qui peut perturber le contact électrique entre le PAM et le réseau, entraînant finalement une défaillance de la batterie. Des facteurs tels que la tension de flottement, la température et en particulier la pureté du plomb influencent le taux de corrosion, le plomb de haute pureté présentant un taux de corrosion plus lent que le plomb allié à des éléments comme le calcium.
La technologie TPPL utilise du plomb de haute pureté pour la construction des réseaux de batteries, ralentissant considérablement le processus de corrosion et maintenant l’intégrité et la conductivité du réseau au fil du temps. Cette technologie permet d’obtenir des grilles plus minces et, par conséquent, des électrodes plus minces, ce qui augmente le nombre d’électrodes pouvant tenir dans une cellule et améliore la surface réactive et l’efficacité de l’utilisation du matériau actif. Cette innovation de conception signifie que les batteries TPPL peuvent atteindre des niveaux de capacité plus élevés et des durées de fonctionnement plus longues avec des unités plus petites, même lorsque les taux de décharge augmentent, ce qui les rend plus efficaces et plus durables que les batteries au plomb traditionnelles qui s’appuient sur des grilles plus épaisses pour compenser la corrosion rapide.
RECHARGE RAPIDE POUR DES OPÉRATIONS RÉSILIENTES
Le TPPL offre également d’autres avantages en matière de performances techniques, ce qui se traduit par des opérations plus efficaces à l’intérieur des installations industrielles et de services publics. Par exemple, elles ont généralement une acceptation de charge supérieure à celle des batteries au plomb traditionnelles. Ils peuvent se recharger plus efficacement, ce qui garantit que les batteries sont prêtes à fournir de l’énergie sans temps de charge prolongés ni surcharge excessive sur les systèmes de charge.
Avec une plus grande surface réactive disponible, le TPPL offre la possibilité de réduire le temps de recharge d’une batterie UPS après un événement de décharge (à condition qu’un courant de recharge adéquat soit disponible). Les produits TPPL, tels que la série de batteries PowerSafe® SBS, ne nécessitent pas de limitation de courant, à condition que la tension de charge soit correctement régulée. Les batteries dotées de la technologie TPPL accepteront facilement le 1C (100A pour une batterie de 100Ahr) jusqu’à ce qu’elles approchent de 80 à 85 % d’état de charge (SoC) tout en maintenant un très haut niveau d’efficacité énergétique. Cela signifie que la batterie peut atteindre 80 % de SoC en 50 minutes environ après une décharge complète (et 100 % de SoC en moins de 2,5 heures). Dans la condition plus typique d’une décharge moins que complète, les temps de recharge attendus seront plus courts.
Pendant ce temps, les batteries TPPL sont également très efficaces sur la charge flottante en raison de la résistance interne plus faible. Le fonctionnement à un courant flottant inférieur à celui des batteries au plomb conventionnelles réduit la consommation d’électricité, réduisant ainsi les émissions de portée 2 pour l’utilisateur final.
MATÉRIAUX ET TECHNIQUES DE CONSTRUCTION ROBUSTES
Les batteries TPPL sont également construites avec des matériaux durables et des techniques de fabrication avancées, ce qui les rend très résistantes aux dommages mécaniques et aux facteurs de stress environnementaux. Cette construction robuste garantit que les batteries peuvent résister à des conditions de fonctionnement difficiles sans compromettre les performances, réduisant ainsi la probabilité de défaillance prématurée et la nécessité d’activités de maintenance non programmées.
Une grande partie de cette robustesse provient d’une longue expérience de déploiement dans des environnements opérationnels difficiles, y compris des applications militaires, qui ont donné lieu à une série d’améliorations techniques. Les bornes ont été renforcées et un papier AGM plus durable a été utilisé entre les plaques. De nombreuses idées ont été appliquées sur le marché de l’énergie de réserve et sont utilisées aujourd’hui pour améliorer la durée de vie et les performances des batteries TPPL, ce qui les rend très résistantes à des facteurs tels que les chocs et les vibrations.
De plus, dans certaines parties du monde, comme les États-Unis, les batteries TPPL devraient fournir une alimentation fiable lors d’événements sismiques. Par conséquent, les essais sismiques selon des normes telles que IEEE 693 sont effectués pour répondre aux recommandations de conception sismique pour les applications de l’utilisateur final telles que les sous-stations. Au fil des ans, les essais sismiques ont apporté certaines modifications de conception à des composants tels que les cosses utilisées dans les batteries pour fournir un point de connexion sûr pour la fixation de câbles ou de fils. Dans un monde touché par le changement climatique et les événements météorologiques extrêmes, EnerSys s’engage à faire évoluer continuellement ses produits pour s’assurer que les batteries restent adaptées à leur usage.
ENERSYS : VOTRE PARTENAIRE EN MATIÈRE D’ALIMENTATION PAR BATTERIE
En conclusion, les batteries au plomb pur telles que le TPPL offrent une option fiable et durable pour les services publics et les centrales électriques. Pour les responsables de la maintenance et les opérateurs qui cherchent à assurer la disponibilité, souvent dans des environnements difficiles, les avantages sont les suivants :
- Haute fiabilité
- Recharge rapide
- Large plage de températures
- Encombrement réduit
- Sans entretien
- Courant variable plus faible pour des économies d’énergie
EnerSys a environ 50 ans d’expérience dans le développement de batteries au plomb pur telles que le TPPL. Elle propose une large gamme de systèmes de batteries robustes, évolutifs et nécessitant peu d’entretien qui fournissent la puissance nécessaire pour les marchés des services publics et de l’industrie, quelle que soit l’application. Les produits sont fabriqués dans des installations de première classe aux États-Unis et en Europe selon les normes les plus élevées, soutenus par un service après-vente haut de gamme. En fin de compte, ces solutions fournissent une énergie fiable et durable dans les usines et les centrales électriques, maximisant ainsi le temps de fonctionnement et réduisant les coûts tout au long du cycle de vie.
