Solution technique - Avril 2019
Batterie lithium-ion ou batterie au plomb ? La bataille est engagée autour des onduleurs
L’évolution du coût des batteries lithium-ion fait réfléchir de plus en plus les bureaux d’études en quête d’un coût total de possession optimisé ou dans le contexte d’installations spécifiques. L’approche est à la fois technique et financière. Explications.
Comparativement aux batteries au plomb conventionnelles, les batteries lithium-ion (Li-Ion) présentent une densité énergétique par unité de masse et de volume bien supérieure. Cela signifie que les batteries Li-Ion sont avantagées dans les espaces restreints ou dans les lieux, notamment sur sites existant, où la limite de charge au sol empêche d’accueillir des racks de batteries plomb-acide.
Dans le cas typique d’un datacenter doté d’une capacité de repli de quelques minutes, l’empreinte volumétrique des batteries Li-Ion donne la possibilité de réduire de 30 à 70 % la place octroyée aux batteries et rend l’espace disponible pour installer des équipements actifs supplémentaires.
Durée de vie accrue
Bien connue des exploitants, la durée de vie d’une batterie plomb avoisine théoriquement une quinzaine d’années. Mais dans la pratique, sous certaines conditions idéales, elle n’offre généralement que dix ans d’exploitation… et souvent seulement sept ans. Le simple fait de passer d’une ambiance de 25 °C à 35 °C divise par deux les ambitions d’une batterie plomb-acide. Elle se montre donc très sensible à la température du local dans laquelle elle est stockée, d’où la nécessité de ventiler et de réguler la température. Cela présente un coût additionnel.
Pour sa part, la batterie Li-Ion offre une durée de vie de quinze ans et plus, en garantissant plusieurs milliers de cycles de charge/décharge. Et cela, même à haute température.
Avec une grande efficacité dans ses cycles de charge/décharge, la batterie Li-Ion ne nécessite aucun surdimensionnement dans le cas de temps de sauvegarde courts. Une situation typique dans les applications d’alimentation sans interruption (ASI).
Étude d’un cas concret
Afin de mettre en exergue les bénéfices financiers de l’usage des batteries Li-Ion dans une application de type ASI, prenons un exemple traité par Socomec.
Dans ce contexte précis, le coût total de possession (TCO) d’une configuration plomb et d’une solution Li-Ion est comparé sur la base du scénario suivant : un système d’alimentation sans interruption redondant d’une puissance de 200 kVA pour une puissance de charge de 150 kW, dans le contexte d’une durée de sauvegarde de huit minutes.
En phase d’investissement
Il est ici supposé que les systèmes de batterie effectueront un nombre limité de cycles de charge/décharge au cours de leur vie utile : 30 cycles complets en quinze ans de fonctionnement, à raison de deux cycles de charge/décharge complets par an.
Pour des temps de décharge courts pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de minutes, la capacité des systèmes de stockage Li-Ion est bien supérieure à celle des batteries au plomb qui, rappelons-le, sont surdimensionnées afin de fournir la capacité requise par la charge.
Ainsi, pour assurer un temps de secours de huit minutes avec une charge de 150 kW, il est nécessaire d’utiliser par onduleur une capacité Li-Ion de 34,68 kWh (136 cellules, 63 Ah) ou une capacité plomb-acide de 92,88 kWh (516 cellules, 90 Ah).
En 2016, le prix de marché pour un volume d’achat élevé était de 120 €/kWh pour la technologie plomb-acide et de 600 €/kWh pour la technologie Li-Ion.
Cependant, alors que le prix par kWh Li-Ion est cinq fois supérieur à celui de la capacité équivalente plomb-acide, la technologie Li-Ion ne nécessite que 37 % de la capacité installée, comparativement aux batteries au plomb !
En se référant au marché de 2016, pour chaque UPS, le prix d’achat initial de la batterie d’un système Li-Ion de 34,68 kWh, soit 136 cellules 63 Ah, est de 20 800 €, tandis que le prix d’achat d’un système au plomb de 92,88 kWh avec 516 cellules de 90 Ah est de 11 150 €.
Pour une comparaison plus précise, un système de surveillance de batterie (BMS) doit être ajouté aux batteries plomb-acide. En supposant un prix de marché BMS de 80 € par élément 12 V, le coût du système BMS se monte à 6 680 € par ASI, tandis que le BMS est déjà inclus dans le volume de fourniture standard du système Li-Ion, sans surcoût.
En supposant un nombre limité de cycles de charge/décharge, la durée de vie réelle du système Li-Ion est proche de quinze ans. Alors que le système de batteries Li-Ion nécessitera deux remplacements pendant la durée de vie de l’onduleur (à l’âge de 7 et 14 ans).
En phase d’exploitation
Toujours sur les bases d’un exemple dressé par Socomec, pour une comparaison précise des deux scénarios (batterie plomb ou Li-Ion), la température du local de la batterie est supposée être la même et stabilisée à 25 °C dans les deux cas. Il convient cependant de rappeler que les systèmes Li-Ion sont plus tolérants aux températures élevées, de sorte que les coûts de fonctionnement peuvent être réduits, moins d’énergie est nécessaire au refroidissement du local.
Seuls les coûts de location des espaces sont pris en compte, tandis que la différence entre les coûts de refroidissement n’est pas prise en compte ici. En raison de leur densité énergétique élevée, les systèmes Li-Ion peuvent permettre des économies d’espace considérables par rapport aux systèmes au plomb. La technologie Li-Ion occupe un volume d’espace inférieur pour un même niveau de service et une plus grande efficacité. Ceci est particulièrement important pour les systèmes installés dans des centres de données avec des coûts immobiliers élevés.
Dans cet exemple, avec un coût de loyer de 288 €/m2 par an (légèrement inférieur à la moyenne européenne), la différence entre l’empreinte « batterie au plomb » (environ 1,4 m2) et celle « batterie Li-Ion » (environ 0,39 m2) se monte à environ 9 500 € en quinze ans.
Bilan chiffré
Tenant compte de toutes les hypothèses ici formulées (Capex investissement initial et remplacement + Opex valeur locative du mètre carré et consommation énergétique liées aux batteries), un système UPS pourvu de batteries Li-Ion de 200 kVA devient plus compétitif qu’un système doté de batteries au plomb dès quatre ans d’exploitation, en réduisant le coût total de possession du système UPS.
La valeur actuelle nette présente alors un écart positif en faveur de la technologie Li-Ion, qui ne fait que s’accroître au fil des ans : plus de 13 000 € à la septième année et près de 21 000 € au bout de quatorze ans. Le tout pour un investissement initial la première année (Capex) de 42 458 € pour la technologie au plomb et de 44 656 € pour la technologie Li-Ion.
Une tendance qui va en s’amplifiant
Aujourd’hui, la tendance à la baisse des prix se poursuit au bénéfice des batteries lithium-ion. Une technologie tirée par le marché en plein essor des véhicules électriques, tandis que la sécurité des batteries s’améliorera progressivement. Tous ces facteurs font du système Li-Ion une solution avantageuse pour les applications d’alimentation sans interruption nécessitant une protection compacte. Les demandes se limitent encore à environ 5 % du marché, avec cependant un intérêt de plus en plus marqué en phase d’appel d’offres.
Michel Laurent
