La technologie des batteries au plomb se modernise pour les opérations maritimes
Harry Valentin
Les batteries au plomb existent depuis plus d’un siècle avec peu de changements. Des progrès ont été réalisés dans la technologie des batteries plomb-acide pour augmenter la densité de stockage, prolonger la durée de vie utile et améliorer les performances par temps froid à un coût comparativement inférieur à celui des technologies de batteries modernes. En conséquence, les dérivés de la technologie des batteries au plomb ont encore de multiples applications dans la navigation de plaisance moderne.
L’histoire des batteries au plomb remonte à avant la Première Guerre mondiale, lorsque des véhicules de tourisme alimentés par batterie circulaient sur les routes publiques. Les concepteurs de sous-marins qui ont fonctionné pendant la Première et la Seconde Guerre mondiale ont installé des batteries de batteries pour fournir une propulsion à basse vitesse sur de courtes distances lorsque le navire a voyagé sous l’eau. Au cours des dernières années, un segment de l’industrie de la pêche qui exploitait des bateaux de pêche à la traîne à faible vitesse utilisait souvent des batteries au plomb pour assurer la propulsion des bateaux. Les batteries ont également trouvé une application dans les locomotives minières, les petites locomotives industrielles ainsi que dans les bureaux de poste à arrêts multiples et les véhicules de livraison de produits laitiers.
Bien que construits dans une variété de tailles, la chimie essentielle impliquant des plaques de plomb et d’acide sulfurique est restée inchangée pendant des décennies. Les batteries au plomb sont sensibles à la température, offrant des performances optimales entre 10 degrés C (50 degrés F) et 50 degrés C (110 degrés F). À moins 25 degrés C (-15 degrés F), la batterie fournira généralement 20 % de la puissance qu’elle fournirait à 25 degrés C (75 degrés F). Des décharges profondes répétées de 100 % à moins de 10 % de la capacité de stockage réduisent considérablement la durée de vie utile. L’accumulation de soufre sur les plaques de plomb réduit la capacité de stockage tandis que les batteries complètement déchargées ne peuvent souvent pas être rechargées.
Améliorations
Plusieurs initiatives ont été entreprises au cours de la dernière partie du 20e siècle pour améliorer les performances des batteries au plomb. Une approche consistait à ajouter de petites quantités d’autres produits chimiques dans l’acide sulfurique pour améliorer les performances à basse température. Une autre approche consistait à mélanger une grande proportion de dioxyde de silicium avec l’acide sulfurique, sauf qu’à l’époque, cela réduisait la tension de la batterie. L’approche AGM ou tapis de verre d’absorption a conduit au développement de la cellule en spirale, où des plaques de plomb et d’oxyde de plomb séparées par le tapis de verre étaient enroulées en spirale pour augmenter la capacité de stockage.
Les premiers chercheurs ont abandonné la méthode au dioxyde de silicium, étant incapables d’augmenter la tension. De nombreuses années plus tard, les chimistes ont relancé le concept et révisé la chimie de la batterie avec 5 % d’acide sulfurique et jusqu’à 95 % de dioxyde de silicium. Le mélange électrolytique révisé s’est avéré capable de fonctionner à moins 40 degrés sur l’une ou l’autre échelle, délivrant 60 % de la puissance qu’il délivrait à plus 50 degrés C (110 degrés F). La petite quantité de soufre dans la batterie a considérablement augmenté la durée de vie utile en réduisant l’accumulation de soufre sur les plaques de plomb, permettant plus de 2 500 recharges lorsqu’elles sont vidées de 100 % à un peu plus de 50 % de la capacité de stockage.
La société de moteurs
L’EPA des États-Unis a exigé que les fumées des carters des moteurs à combustion soient acheminées vers l’admission du moteur, pour la combustion. Cependant, la ventilation positive du carter a entraîné la formation de dépôts de carbone sur les soupapes du moteur. Les efforts pour traiter le problème des dépôts de carbone durcis ont conduit à la découverte que les dépôts de carbone imitent les plaques de plomb lorsqu’ils sont exposés à l’acide sulfurique et à une charge électrique. La découverte a conduit au développement de la batterie en mousse de carbone où des blocs de carbone remplacent les plaques de plomb dans ce qui est essentiellement une batterie plomb-acide modifiée.
La mousse de carbone est poreuse et offre une capacité de stockage électrique équivalente à une plaque de plomb beaucoup plus grande, tout en étant résistante à l’accumulation de dépôts de soufre qui est problématique avec le plomb. Elle offre la combinaison d’une capacité de stockage beaucoup plus élevée qu’une batterie au plomb de taille et de poids équivalents, avec une durée de vie utile considérablement prolongée lorsqu’elle est utilisée de manière répétée entre 100 % et un peu plus de 50 % de la capacité de stockage. Il existe de nombreuses applications où les batteries en mousse de carbone peuvent remplacer les batteries au lithium qui encourent le double à 3 fois le coût d’investissement tout en offrant une capacité de stockage d’énergie légèrement supérieure.
Opération de bateau
Alors que la plupart des opérations de petits bateaux se produisent par temps chaud, un petit nombre de bateaux continuent à fonctionner par temps plus froid. Lorsque la température de l’air chute au point de congélation de l’eau, l’eau de mer salée reste liquide et surtout lorsque des vagues, des courants de marée et des courants océaniques sont présents. À de telles températures, l’eau de la rivière qui coule reste également liquide et permet la navigation en bateau. La batterie plaquée au plomb qui contient 5 % d’acide sulfurique et 95 % de dioxyde de silicium est également surnommée la batterie à cristaux de plomb et soutient facilement le fonctionnement des bateaux alimentés par batterie, à faible vitesse et à courte distance par temps froid.
Les batteries au cristal de plomb coûtent 1/3 du prix des batteries au lithium et peuvent fournir plus de 2 500 cycles de service lorsqu’elles sont utilisées de manière répétée à 50 % de profondeur de décharge. À 50 % du coût des batteries au lithium, la batterie en mousse de carbone n’est actuellement disponible qu’avec un électrolyte d’acide sulfurique et peut fournir plus de 3 500 cycles à 50 % de profondeur de décharge et plus de 1 000 cycles à 80 % de profondeur de décharge. Elle peut fournir plus de 65 % de sa puissance nominale à des températures sous le point de congélation aussi basses que 0 degré F. Outre la propulsion, ces batteries peuvent remplir une large gamme d’autres applications sur de petits bateaux propulsés par des moteurs à combustion interne.
Démarrage des moteurs à froid
À des températures inférieures au point de congélation, l’eau qui coule reste liquide tandis que l’eau stagnante se solidifie. L’eau qui coule et surtout l’eau de mer qui coule entraînée par le courant océanique et par les marées changeantes permet à des ports comme New York, Newark, Halifax, Québec et Montréal de rester opérationnels pendant les hivers glacials. Les moteurs à combustion interne (IC) de la taille d’un camion commercial sont souvent installés dans les remorqueurs, les bateaux de pêche, les traversiers et les navires de la zone portuaire. Le temps sous le point de congélation entraîne souvent des difficultés à redémarrer les moteurs thermiques froids. Dans de telles situations, les batteries à décharge profonde capables de fonctionner à des températures inférieures au point de congélation deviennent particulièrement utiles.
Les batteries à cristal de plomb et à mousse de carbone peuvent supporter plusieurs heures de fonctionnement des réchauffeurs de moteur qui nécessitent l’alimentation de la batterie pour faire fonctionner une pompe à eau et la combustion d’une petite quantité d’hydrocarbures. Avant le démarrage du moteur, ces batteries peuvent également soutenir le fonctionnement des pompes à huile électriques qui prélubrifient le moteur thermique. Il rechargera ensuite un ultra-condensateur qui injectera un courant de démarrage élevé dans le démarreur électrique du moteur, avant de se mélanger pour maintenir le démarrage du moteur avant l’allumage. La puissance de la batterie peut également recharger une nouvelle technologie de démarrage du moteur à ressort pour faire tourner initialement le moteur.
Véhicules de service portuaire
Les batteries au cristal de plomb et à mousse de carbone ont toutes deux des applications potentielles dans une variété de véhicules de service portuaire. Les chariots élévateurs à fourche et les camions ramasseurs de conteneurs nécessitent un contrepoids considérable, ce qui améliore l’adéquation des batteries de batteries lourdes au plomb pour un tel service dans les ports plus petits. Certains ports plus petits utilisent des locomotives électriques à batterie de type industriel pour le service de manœuvre à courte distance. Les technologies de batteries au plomb-cristal et à mousse de carbone offrent des performances par temps froid supérieures à celles des batteries au plomb-acide traditionnelles, permettant des opérations de dérivation avec une température de l’air à 0-deg F (-18-deg C), alors que l’une ou l’autre des batteries offrirait plus de 65% de disponibilité énergétique par rapport à 70 degrés F.
Il y a des ports nordiques tels que Montréal qui restent opérationnels pendant le mois d’hiver nordique et y compris lorsque les températures de l’air descendent bien en dessous du point de congélation de l’eau. À des températures aussi basses, les performances de certaines batteries au lithium deviennent problématiques, entraînant notamment des difficultés de recharge. La batterie au plomb-cristal et la batterie en mousse de carbone restent toutes deux opérationnelles à 0 °F, avec la possibilité d’une technologie de batterie hybride en mousse de carbone et en dioxyde de silicium pouvant être appliquée pendant un service hivernal rigoureux.
Les opinions exprimées ici sont celles de l’auteur et pas nécessairement celles de The Maritime Executive.