DOSSIER Mots clés : Accumulateurs, Batteries, Réseaux

DOSSIER Mots clés :
Accumulateurs,
Batteries,
Réseaux
électriques,
Energie
de secours.
botte
tilisation des batteries industrielles éectr
Ene
dans les grands reseaux e#*Iectriques L-de se
Pression sur les prix, concentration de la production
par Patrick GAGNOL, André MARQUET, Electricité de France, Direction des études et recherches,
Isabelle LAIDET, Electricité de France, SEPTEM (Service des études et projets thermiques et nucléaires)
et André VASSEUR, Electricité de France, Exploitation du Parc nucléaire.
Dans la production et la distribution
d'électricité, le stockage de l'énergie
par accumulateurs électrochimiques voit
progressivement ses applications
s'étendre, des dispositifs de secours vers
la gestion de la qualité et la régulation
de charge.
INTRODUCTION
Les différentes centrales électriques, postes et centres de
distribution d'Electricité de France utilisent environ 5000
batteries industrielles. Celles-ci servent en tant qu'alimen-
tations de secours en courant continu (ou alternatif au tra-
vers d'onduleurs) en cas de coupure de courant du réseau
de distribution ou du générateur. Dans les centrales
nucléaires, elles font partie du système de protection qui
garantit la fiabilité du contrôle du réacteur. La protection
des ordinateurs et la communication sont deux autres appli-
cations importantes des batteries de secours. Ces utilisa-
tions stratégiques dans le système électrique d'EDF néces-
sitent de porter une attention particulière à l'évaluation des
batteries, à leur sélection et à leur entretien. Cet article
décrit la situation actuelle des batteries industrielles pour
des applications de secours dans les systèmes électriques.
Des applications potentielles telles que le stockage d'éner-
c
gie provenant de sources renouvelables ou des applications
sur le réseau sont également discutées.
BATTERIES STATIONNAIRES
DE SECOURS DANS LES CENTRALES
ÉLECTRIQUES
Dans les centrales électriques, les batteries sont principa-
lement utilisées pour des applications de secours. Elles
constituent une composante essentielle du système de sécu-
rité et de fiabilité des centrales nucléaires. En cas de panne
du chargeur ou du réseau, les batteries permettent de mener
à bien les procédures d'arrêt du réacteur. Les batteries sont
conçues pour résister aux tremblements de terre sans
conséquence sur leur fonctionnement. Toute centrale élec-
Les centrales électriques, postes et centres de dis-
tribution d'Electricité de France utilisent plus de
cinq mille batteries industrielles. Les accumulateurs
au plomb et les batteries alcalines nickel-cadmium
sont utilisés pour des applications stationnaires de
secours, et, dans les centrales nucléaires, partici-
pent au système qui garantit la fiabilité du con-
trôle du réacteur.
Cet article décrit les conditions d'utilisation des
batteries à EDF, les technologies qui leur sont
liées, les tests utilisés et les critères de conception.
Outre ces applications de secours, EDF étudie
également le potentiel de futures applications des
batteries dans le domaine de l'énergie (stockage
de l'énergie de sources renouvelables) et la ges-
tion de sa qualité (lissage de la demande).
The eleclric power stations, substations and
transmission centers operated by Electricité de
France make use of more than five thousand
industrial batteries. Lead batteries and nickel-
cadmium batteries are used for stationary back-
up applications and form part, in nuclear power
stations, of the system that ensures reliability of
reactor control.
This article describes the conditions under which
EDF makes use of the batteries together with rele-
vant technologies, tests and design criteria.
Other than back-up applications, EDF is studying
future applications for batteries in the area of
power supplies such as the storage of power deri-
ved from renewable sources, and in management
to regularise demand.
trique comporte des alimentations électriques en courant
continu pour couvrir les opérations liées à son contrôle.
Ces alimentations sont également utilisées en parallèle
comme chargeur de batteries (fig. 1, voir bibliographie [11).
Les chargeurs sont alimentés par le réseau auxiliaire ou en

Batteries industrielles et grands réseaux électriques
k
rc7l Chargeur Batterie
k
Chargeur AC
rD CI
/DC Chargeur -.. Batterie
-1 1
Utilisateurs . Résistance
: décharge
a)
1 1 R é
! ! <* Résistance
1 déh.,g. 7
Utilisateurs
k k
$c $c l
DC Chargeur DC Chargeur- Batterie
-1-
1- - - -- iIl
1 1
Utilisateurs Résistance décharge
c)
b)
k k Chargeur Chargeur
L Batterie L
DC = Batterie = DC
- - -L- \-7- \ -
1 1 1
U tilisateurs
1-1
Résistance
décharge
d)
7. Configtarations d'alimeratatlon en CC dans les centrales électriques.
a) Un chargeur - une batterie - un jeu de barres.
b) Deux chargeurs - tcne batterie - un jeu de barres.
c) Deux chargeurs - une batterie - deux demi-jeux de barres.
d) Deux chargeurs - detc.x- batteries - un jeu de barres.
cas de panne par des générateurs diesel de secours. En cas
d'urgence, les batteries alimentent automatiquement en
courant continu les principaux dispositifs « usagers »
(onduleurs, ordinateurs, systèmes de contrôle et d'instru-
mentation, poste de commutation extérieur, coupe-circuit,
démarrage du générateur diesel de secours...). Compte tenu
du raccordement au chargeur parallèle et permanent des
utilisateurs et de la batterie, aucune coupure de courant ne
peut se produire en cas de panne sur le circuit d'alimenta-
tion principal.
La redondance est l'un des principes essentiels de la sécu-
rité. Chaque dispositif ou équipement, qui garantit la fiabilité
du fonctionnement et la protection du réacteur dans une cen-
trale nucléaire, est doublé. Deux circuits indépendants, appe-
lés voies A et B, doivent être disponibles et prêts à fonction-
ner. A l'heure actuelle dans les centrales EDF, les voies A et
B sont équipées respectivement de batteries au plomb et
NiCd afin d'éviter toute panne générique simultanée.
BATTERIES INDUSTRIELLES
ET CENTRALES ÉLECTRIQUES :
QUELQUES CHIFFRES
Les centrales électriques, à elles seules, utilisent
quelques 1 700 batteries industrielles comme alimentation
électrique de secours. Dans chaque tranche nucléaire, on
compte environ 12 batteries au plomb et 5 à 6 batteries
NiCd. Les tensions nominales vont de 24 V à 230 V, la
capacité nominale de 40 Ah à 2000 Ah. Dans les centrales
thermiques et nucléaires, environ 800 batteries tubulaires
au plomb (40 000 éléments « 2 V ») et 260 batteries NiCd
(18 000 éléments « 1,2 V ») sont utilisées. Le tableau 1
décrit un exemple d'installation de batterie dans une cen-
trale nucléaire de 1 400 MW.
En raison des contraintes de service et de fiabilité, le
temps moyen avant remplacement des batteries est à
l'heure actuelle de 8 à 10 ans pour les batteries au plomb et
de 13 à IS ans pour les batteries NiCd. Mais il est fort pro-
bable que la durée de service des accumulateurs NiCd
actuels soit prolongée dans le futur. Depuis le début de la
production nucléaire en France (1977), 25 % des batteries
NiCd ont été remplacées. Le taux de remplacement des
batteries au plomb est en cours d'évaluation. En 1994, 18
batteries NiCd (1174 éléments) et 69 batteries au plomb
(4 280 éléments) ont été remplacées.
PROTECTION DU MATÉRIEL
INFORMATIQUE
Les alimentations sans interruption (ASI) qui protègent
les ordinateurs empêchent les pertes de données en cas de
panne du réseau principal et évitent les dysfonctionnements

BATTERIES, STOCKAGE ÉLECTROCHIMIQUE
TaMëCM/. - Caractéristiques de la batterie d'une ASI CC dans une centrale nucléaire de 1400 MW
Tensioii
d'al i i-netitatioii
continue
230 V
125 V
48 V
48 V
30V
Batterie de voie A
(Pb-Ca)
décharge Capacité
Batterie de voie B
(NiCd)
décharge Capacité
390 A
290 A
200 A
320 A
260 A
520 A
500 Ah 150 A 380 Ah
« Usager » alimenté
c
220 V CA (redresseur) : protection
contrôle & instrumentation.
ordinateurs, télécommunication,
télévision,...télévision,...
i
1 000 Ah 75 A 250 Ah Equipement (coupe-circuit.
contacteurs,...),
dispositifs de commande (valves,...)
- -------------- -----------------
660 Ah 150 A 380 Ah Protection du réacteur
2 000 Ah 300 A 760 Ah Multiplexeurs, circuits de
880 Ah de retransmission,...
2 000 Ah 300 A 760 Ah Dispositif de contrôle automatique,
interrupteurs
et endommagements. Une étude statistique, effectuée sur
environ 120 ASI (chargeur + batterie + redresseur) utilisées
dans les centres de distribution d'EDF montre que 25 %
des pannes de ASI sont liées aux batteries (perte de capaci-
té) [2]. Le temps moyen entre les pannes (MTBF) est de
7,5 ans. Les ASI installées vont de 2 à 200 kVA ; 30 %
d'entre elles délivrent plus de 80 kVA, et 40 % moins de
10 kVA.
PARAMÈTRES DE DIMENSIONNEMENT
Les batteries de secours ne sont jamais déchargées, sauf
en cas d'urgence ou en période de maintenance de l'instal-
lation protégée. Elles sont reliées en permanence au char-
geur qui les place en condition de marche flottante (floa-
ting). Leur tension est alors maintenue à un niveau suffi-
samment élevé pour compenser l'autodécharge afin de
conserver les accumulateurs chargés complètement. Ce
type de fonctionnement entraîne une consommation d'eau
supplémentaire et des effets de mémoire dans le cas des
batteries NiCd.
On s'appuie sur quatre paramètres principaux pour
concevoir et sélectionner batteries destinées à des appli-
cations stationnaires de secours. Les critères de sélection
correspondent aux contraintes de fonctionnement et aux
exigences de service suivantes.
- Autonomie minimum requise lors d'une décharge
au courant constant assigné (AM) : Ce paramètre fait
référence à la durée de fonctionnement minimum de l'ali-
mentation électrique de secours requise en cas de panne de
la source principale. Elle doit être d'au moins 60 minutes
dans les centrales thermiques et nucléaires et de 4 et 8
heures dans les centres de production hydroélectrique, les
installations de transport et de télécommunication.
- Courant de décharge maximum requis (Id) : Il est lié
au courant maximum qui peut être appelé par tous les
« usagers » travaillant ensemble et simultanément, dans des
conditions de service normal.
- Tension de fin de décharge (Ufd) : Cette valeur cor-
respond à la tension la plus basse autorisée en service et
supportable par les « usagers » avant tout endommagement
ou dysfonctionnement. Les pertes en ligne sont prises en
compte.
- Tension de charge maximum (t/M) : Cette valeur est
liée à la tension maximale en service normal supportable
par les « usagers » avant tout endommagement ou dysfonc-
tionnement. Une tension plus élevée spécifique (Ue) peut
être appliquée exceptionnellement pendant une courte
période en cas de charge particulière.
c
Deux méthodes de charge peuvent être utilisées pour les
batteries stationnaires :
- Marche flottante à tension constante - les batteries sont
chargées à une tension donnée (Uin par ex.) pendant 24
heures avec limitation de courant, puis placées en marche
flottante à cette même tension.
- Marche flottante bipalier - les batteries sont chargées à
une tension élevée (tension spécifique Ue par ex.) pendant
24 heures avec limitation de courant puis automatiquement
placées en marche flottante à une tension plus faible (Lm
par exemple).
Le dimensionnement et la sélection des batteries sont
basés sur cette description du service requis et non sur des
demandes spécifiques de performances électriques (capaci-
té, taux de décharge, tension nominale...). Les fabricants de
batteries doivent en prendre en compte lors de la concep-
tion le dimensionnement des batteries qu'ils proposent. Le
nombre d'accumulateurs est défini en fonction de la ten-
RUE
N'1 199 (,

Batteries industrielles et grands réseaux électriques
sion de fin de décharge et celle de charge maximale : la
capacité est définie en fonction de l'autonomie requise et
du courant de décharge.
Le tableau 2 donne des exemples de valeurs seuil dans
les centrales électriques et le nombre proposé d'accumula-
teurs pour des batteries au plomb et NiCd.
TECHNOLOGIE DES BATTERIES
STATIONNAIRES UTILISÉES
DANS LE SYSTÈME ÉLECTRIQUE D'EDF
Jusqu'à présent, tous les accumulateurs utilisés sont des
éléments « ouverts », qui demandent un apport d'eau et un
entretien à intervalles réguliers. Les différences de durées
de vie entre les batteries des voies A (plomb) et B (NiCd)
permettent d'établir des calendriers de remplacement dis-
tincts qui assurent la disponibilité totale d'une voie en cas
d'urgence. En outre, les accumulateurs NiCd sont intéres-
sants pour les batteries de faible tension, du fait de l'impact
plus faible de la perte d'un élément « 1,2 V » que d'un élé-
ment « 2 V ».
Accumulateurs au plomb
Accumulateurs type Planté
On n'utilise plus que quelques accumulateurs de ce type.
Ils étaient installés auparavant dans les centrales hydroélec-
triques (il reste environ 40 accumulateurs d'une capacité
moyenne de 100-200 Ah en exploitation, soit 10 % de la
quantité totale des batteries installées). Leur durée de vie
peut atteindre plus de 15 ans dans certaines applications,
mais on ne les emploie plus en raison de leur coût élevé, de
leur faible énergie spécifique et de leur comportement
médiocre lors des tests sismiques.
Accumulateurs à plaque empâtée (batteries
de type Faure)
Ce type de batteries est utilisé dans la production hydro-
électrique (50 % des batteries installées). Chaque plaque
est composée d'une grille en alliage plomb antimoine
(3-12 % Sb) empâtée avec une pâte mixte d'oxyde de
plomb, d'acide sulfurique et d'eau.
Accumulateur à plaque positive tubulaire
De nos jours, cette technologie est adoptée lors des rem-
placements de batterie ou pour tout nouvel équipement.
Les batteries tubulaires au plomb représentent 33 % des
batteries en service dans les centrales hydroélectriques et
66 % dans les centrales nucléaires. Les plaques négatives
sont empâtées. Les plaques positives sont composées de
tubes verticaux. Chaque tube est creux avec une arête en
alliage de plomb (Pb-Sb, Pb-Ca). Les parois du tube sont
faites d'un isolant perméable du type fibre de verre tressée.
L'espace vide dans le tube est comblé avec une matière
active.
Pour le remplacement et les équipements nouveaux, des
batteries à faible taux d'antimoine (Sb < 3 %) ou sans
d'antimoine (Pb-Ca) sont préférées afin d'éviter les effets
nocifs de l'antimoine sur la plaque négative qui engendrent
un dégagement de l'hydrogène et une consommation d'eau
c CI
plus importants (entretien accru, pertes de performance...).
Batteries NiCd
Accumulateurs à plaque à pochette
C'est la principale technologie utilisée dans les centrales
électriques, avec 33 % du nombre total de batteries. Elle
est composée de pochettes métalliques perforées remplies
de matières actives.
Accumulateurs à électrodes à liant plastique
et à structure fibreuse
Pour les nouveaux équipements, les batteries à électrode
de cadmium avec liant plastique et les batteries à électrodes
de nickel et de cadmium à structure fibreuse (FNC) sont
deux autres technologies susceptibles d'être sélectionnées.
Les premières sont constituées d'une plaque positive frittée
et d'une plaque négative, dont la masse active est compo-
sée d'un mélange d'hydrate de cadmium et d'un liant plas-
tique. Les accumulateurs FNC possèdent deux plaques à
matrice de fibres de nickel dans laquelle sont imprégnées
les matières actives. Lors de nos tests d'endurance en
marche flottante en température, ces deux technologies ont
mieux résisté au vieillissement que les accumulateurs
conventionnels à plaque à pochette.
Tableau 2. - Valeur-s seuil reconimandées daus les ceutrales électriques
Tension
nominale (V)
24
28
30
48
125
230
Nombre d'éléments
plomb NiCd
14
23
59
108
20-22
36-38
93-96
172-179
Tension de fin
de décharge Ufd (V)
20,5
23
25,5
41
105
194
Tension normalc j Tension spécifique
max. Uii (V) max. Ue (V)
- ---- -----------
27
265 27
31 32
33 34
52,5 55
134 138
247,5 255
REE
N 1. ". : - [
19 (, 35

BATTERIES, STOCKAGE ÉLECTROCHIMIQUE
ÉVALUATION ET SÉLECTION
DES TECHNOLOGIES DES BATTERIES
Des règles précises ont été définies pour évaluer, choisir
et contrôler les batteries. Pour l'équipement des centrales
nucléaires, les procédures d'assurance qualité couvrent
chaque étape essentielle de la prise de décision.
Choix des batteries
Le choix des batteries repose sur des tests de qualifica-
tion selon les spéfications d'EDF. Ces procédures d'essai
tendent maintenant à intégrer les normes internationales,
en plus des exigences particulières d'EDF. La Direction
des études et recherches d'EDF a établi des spécification
d'essais pour les batteries stationnaires au plomb et NiCd,
qui comportent des séquences de vieillissement à des tem-
pératures plus élevées que celles de fonctionnement. Pour
une utilisation en centrale nucléaire, le fonctionnement
continu des batteries pendant et après des essais de séisme
est vérifié. Auparavant, le vieillissement était effectué en
appliquant des cycles de surcharge à 25'C. Les procé-
dures d'évaluation actuelles sont basées sur la succession
de périodes de marche flottante à 45'C pour les batteries
au plomb et à 55 °C pour les batteries NiCd. A la suite
d'études antérieures à 55'C, la température d'essai des
batteries au plomb a été ramenée à 45'C pour éviter un
vieillissement non représentatif. Des séquences d'évalua-
tion des performances à des régimes de décharge diffé-
rents sont intercalées entre les phases de marche flottante.
Les principales valeurs seuil sont établies à partir des
paramètres de fonctionnement et des caractéristiques des
batteries (par exemple, tension de coupure : 1,80 V/élé-
ment, 1,136 V/élément - tension de marche flottante :
2,20 V/élément, 1,44 V/élément pour les batteries au
plomb et NiCd respectivement). Résistance interne, per-
formances initiales, étanchéité, courant de court-circuit,
efficacité anti-déflagrante font partie des différents autres
paramètres examinés.
Evaluation des batteries
Les études d'EDF sur les batteries stationnaires se
concentrent sur deux points principaux :
- l'évaluation de l'aptitude des nouvelles technologies de
c
batteries à répondre aux exigences de fonctionnement,
c
- le développement de procédures d'essai, de critères de
sélection et de méthodes de surveillance adéquats.
Les accumulateurs au plomb à recombinaison à électro-
lyte absorbé (glass-mat VRLA) ont été étudiés lors
d'essais de vieillissement. Ce type de batterie est présenté
comme « sans entretien » grâce au processus de recombi-
naison des gaz d'électrolyse. Il ne demande aucun rajout
périodique d'eau. Six batteries différentes ont subi des
périodes de marche flottante successives à 45'C. Les
résultats initiaux révèlent que non seulement le coefficient
de recombinaison, mais également les volumes globaux de
c c
gaz émis doivent être pris en compte. Les coefficients de
recombinaison à 25'C étaient de 97 % dans tous les cas,
sauf pour l'une des batteries (95 %). Des débits gazeux
atteignant 2 m)/h ont été mesurés à cette même températu-
re. Cependant, à 45'C, des débits de l'ordre de 50 ml/h
ont été observés pour certaines batteries. Le niveau du
débit gazeux est évidemment d'un intérêt tout particulier
lors de la sélection de batteries pour des applications dans
des endroits non ou mal aérés (armoire électrique, par
exemple) du fait des risques associés à la formation
d'hydrogène (risque explosion...) et de la consommation
d'eau (assèchement de l'électrolyte).
Un autre objectif est de développer des procédures
d'essai en ligne afin d'éviter la déconnexion des batteries
testées du circuit d'alimentation des utilisateurs. Les
méthodes de surveillance sont nécessaires pour vérifier et
contrôler le bon fonctionnement des batteries. C'est pour-
quoi EDF étudie le rapport entre la résistance interne (RI)
et l'autonomie résiduelle en fonction de l'état de vieillisse-
ment de la batterie [3, 4, 51. Un impédancemètre prototype
a été conçu pour réaliser les mesures sur site. La figure 2
montre des résultats encourageants qui indiquent une forte
corrélation entre les valeurs RI élevées, mesurées à 70 Hz
et la réduction de l'autonomie des différents éléments
d'une batterie stationnaire au plomb de 1000 Ah utilisée
depuis 81 mois.
D'autres résultats intéressants apparaissent à la figure 3.
Un rapport existe entre la capacité déchargée et la chute
de tension des éléments, mesurée après seulement 10
minutes de décharge. Ces deux méthodes nécessitent des
compléments de validation sur site. Cependant, elles pour-
raient permettre de réduire le temps d'indisponibilité qui
est causé par la décharge de contrôle annuelle. Les déve-
loppements de systèmes semblables (tels qu'un conducti-
mètre) sont également étudiés avec attention.
c
.Ilit ; t., (194814360)
: 65 ep,ésentatif de la batter e
.t.
1 ALito. Moy = 4308 *
(1891/200)
"'-.'
1970 1960 1950 1940 1930 1920 1910 1900 1890
LJ (J Teni (,ii de l'élénient IleSUrée aplës 600 s de dëciia,,,e (iliv)
2. Corrélcition eiitre la résistaiice iiiterne, jnesbij- (,e à 70 Hz,
avant décharge. et l'autonomie des éléments d'une batterie
ait ploiiib otit,ei-te de 1000 Ah de 81 iiiois.