Quelles caractéristiques de sécurité une batterie de stockage d’énergie solaire doit-elle posséder ?

Prévention de la réaction thermique incontrôlée et conception sécurisée contre l’incendie

Comment la réaction thermique incontrôlée se produit-elle dans une batterie lithium-ion de stockage d’énergie solaire ?

Lorsqu'une réaction thermique incontrôlée se produit dans les batteries de stockage solaire au lithium-ion, elle débute généralement soit à partir de défauts internes aux cellules elles-mêmes, soit de dommages causés par des sources externes, soit tout simplement de l'usure normale liée au fonctionnement. Dès que la température dépasse environ 80 degrés Celsius (soit environ 176 degrés Fahrenheit), l'électrolyte se décompose et libère des gaz inflammables accompagnés d'une chaleur supplémentaire, déclenchant ainsi une réaction en chaîne qui s'autoentretient. Dans les installations où de nombreuses batteries sont regroupées de façon compacte, la chaleur se propage rapidement aux cellules voisines, faisant parfois grimper la température au-delà de 400 degrés Celsius (soit environ 752 degrés Fahrenheit) en quelques secondes seulement. Dans la plupart des cas, ces incidents sont provoqués par des courts-circuits internes. Ces courts-circuits résultent typiquement de la croissance de dendrites à l'intérieur de la batterie ou de défauts introduits lors de la fabrication. Selon les données recensées, de tels problèmes représentent environ sept cas sur dix de réaction thermique incontrôlée. Pour enrayer ce processus dangereux, les fabricants doivent intégrer certaines mesures de sécurité, telles que des séparateurs résistants à l'inflammation, des additifs spécifiques dans l'électrolyte pour améliorer sa résistance aux flammes, ainsi que des barrières en résine époxy destinées à limiter la propagation de la chaleur entre les cellules individuelles.

Essais UL 9540A et atténuation de la propagation d’incendie pour les installations de batteries de stockage d’énergie solaire

Obtenir la certification UL 9540A implique de subir des essais d’incendie rigoureux visant à évaluer la propagation de la défaillance thermique dans les systèmes commerciaux de stockage d’énergie solaire par batteries. Le processus d’essai recrée des scénarios représentatifs des pires défaillances possibles, par exemple lorsqu’un objet pointu perce les batteries ou lorsqu’elles sont surchargées. Ces essais évaluent notamment la vitesse d’accumulation de chaleur, les gaz libérés et la capacité des incendies à se propager d’un module à un autre. Les systèmes de batteries conformes à cette norme intègrent des fonctionnalités de sécurité intégrées, notamment des enveloppes ignifuges spécifiques autour de chaque module, des dispositifs d’éventilation permettant une libération sécurisée de la pression et des barrières empêchant la transmission de la chaleur entre modules. Des essais indépendants montrent que la plupart des systèmes certifiés parviennent à contenir les événements thermiques dangereux à l’intérieur d’un seul module dans environ 99 % des cas. Lors de l’installation de ces batteries en intérieur ou dans des espaces restreints où la distance entre les unités est limitée, le choix d’équipements certifiés UL 9540A s’impose à la fois pour des raisons réglementaires et parce qu’il réduit effectivement les risques en pratique. De nombreux gestionnaires d’installations ont signalé une diminution du nombre d’incidents après avoir adopté ces systèmes plus sûrs.

Protection électrique intelligente via le système de gestion de la batterie (BMS)

Fonctions critiques du BMS : protection contre la surcharge, la décharge excessive, les courts-circuits et la surveillance de l’isolation

Un système de gestion de batterie (BMS) agit comme le cerveau des batteries de stockage solaire au lithium-ion, en gérant quatre fonctions essentielles de sécurité permettant un fonctionnement optimal. Lorsqu’une batterie est trop chargée, le BMS interrompt le processus à environ 3,65 volt par cellule, car dépasser ce seuil peut provoquer un dépôt dangereux de lithium (« lithium plating »), susceptible d’entraîner des problèmes de surchauffe. À l’inverse, si la batterie se décharge en dessous d’environ 2,5 volts par cellule, le système réagit à nouveau pour empêcher toute décharge supplémentaire, car cela pourrait endommager les composants internes et réduire durablement la durée de vie de la batterie. En cas de court-circuit, la réponse intervient presque instantanément dès que le courant dépasse trois fois son niveau normal, grâce à des interrupteurs spécialisés qui coupent en toute sécurité le flux de puissance. Le système vérifie également en continu la résistance d’isolement entre les parties actives et le boîtier métallique, afin de détecter toute chute inférieure à 100 ohms par volt, signe précoce d’usure. Des rapports sur le terrain provenant d’installations à grande échelle ainsi que d’installations domestiques aux États-Unis montrent que ces multiples couches de protection ont permis de réduire les accidents électriques d’environ deux tiers au cours des dernières années.

Suivi en temps réel de l’état de charge (SOC) et de l’état de santé (SOH) et réponse prédictive aux pannes pour les batteries de stockage d’énergie solaire

Les meilleurs systèmes de gestion de batterie actuels combinent des techniques de comptage coulombique avec des filtres de Kalman afin de maintenir la précision de l’état de charge (SOC) à environ ± 3 %. Parallèlement, ils suivent l’état de santé (SOH) en observant la perte de capacité au fil du temps. Cette combinaison fournit aux opérateurs deux niveaux d’informations qui aident à prédire les problèmes avant qu’ils ne surviennent. Lorsque des cellules individuelles commencent à présenter des différences de tension supérieures à 50 millivolts ou qu’une différence de température entre modules dépasse 4 degrés Celsius, le système réduit la vitesse de charge et émet des alertes signalant la nécessité d’une maintenance. Ces contrôles diagnostiques détaillés empêchent l’accumulation progressive de petits dysfonctionnements, ce qui peut effectivement prolonger la durée de vie des batteries d’environ 40 % par rapport aux anciens systèmes ne procédant pas à une surveillance active. Les versions les plus récentes deviennent encore plus intelligentes, utilisant les données relatives aux performances passées pour estimer, avec environ trois mois d’avance, le moment où les batteries atteindront leur fin de vie. Ce type de prévision aide les installateurs solaires à mieux planifier les remplacements, plutôt que d’attendre qu’un composant tombe complètement en panne.

Certifications réglementaires obligatoires pour les batteries de stockage d’énergie solaire

La conformité aux certifications internationales en matière de sécurité est une exigence impérative pour les installations résidentielles et commerciales de batteries de stockage d’énergie solaire. Ces normes permettent de réduire les risques d’incendie, d’assurer la fiabilité du fonctionnement et constituent des conditions préalables à la connexion au réseau public, à l’obtention des autorisations nécessaires et à la couverture par les assurances.

Normes de sécurité au niveau des cellules et des modules : UL 1642, IEC 62619 et UN 38.3

Les certifications au niveau des composants valident la sécurité fondamentale avant l’intégration dans le système :

• UL 1642 soumet les cellules au lithium à des conditions extrêmes d’usage abusif, notamment des courts-circuits forcés, des surcharges et des essais d’écrasement, afin de vérifier leur intégrité structurelle et thermique.
• CEI 62619 définit les exigences de sécurité applicables aux batteries industrielles au lithium, imposant une résistance aux contraintes mécaniques, aux agressions thermiques et aux charges anormales.
• UN 38.3 certifie la sécurité du transport en exigeant des essais de simulation d’altitude, de vibration, de choc et de cyclage thermique afin d’empêcher toute fuite ou tout événement thermique pendant l’expédition.
  Les fabricants doivent démontrer leur conformité aux trois exigences avant de pouvoir passer à l'évaluation au niveau système.

Conformité au niveau système : UL 9540, NFPA 855 et sécurité de la connexion au réseau (IEEE 1547, NFPA 585)

L’intégration complète du système exige le respect de cadres de sécurité interdépendants :

• UL 9540 évalue la propagation intégrée du feu, la sécurité électrique et la gestion thermique dans des conditions simulées de défaillance thermique.
• NFPA 855 réglemente les exigences relatives à l’installation physique, notamment les distances minimales, la ventilation, la suppression d’incendie et les dispositions d’évacuation, afin de limiter la propagation du feu et de faciliter l’intervention des services d’urgence.
• Des normes de connexion au réseau telles que IEEE 1547 (pour la tenue en tension/fréquence et la protection contre l’îlotage) et NFPA 585 (pour l'arrêt d'urgence et la détection des arcs électriques) garantissent une coupure fiable en cas de défaut.
  En 2024, 37 États américains ont intégré la norme NFPA 855 dans leurs codes électriques, ce qui en fait une exigence de facto pour l'obtention des autorisations.

Améliorations liées au choix des matériaux et à la surveillance proactive

Pourquoi le lithium fer phosphate (LFP) est la chimie privilégiée pour des batteries de stockage d'énergie solaire plus sûres

LFP, abréviation de « lithium fer phosphate », est aujourd’hui le choix privilégié pour la plupart des solutions de stockage d’énergie solaire en raison de sa grande stabilité thermique. Ce qui rend ce matériau particulier, c’est sa structure cristalline unique en olivine, qui empêche pratiquement toute libération d’oxygène, même à des températures très élevées. Cela signifie que les batteries LFP sont nettement plus sûres que celles fabriquées avec du nickel ou du cobalt, qui ont tendance à s’enflammer plus facilement. Selon des rapports réels sur le terrain, les installations utilisant la technologie LFP enregistrent environ 60 % d’incidents liés à l’incendie en moins. Il y a également de nombreux autres avantages : ces batteries supportent un bien plus grand nombre de cycles de charge avant usure, maintiennent assez bien leur tension dans le temps et fonctionnent de façon fiable même dans des conditions relativement chaudes, jusqu’à environ 55 degrés Celsius. Cette tolérance à la chaleur est cruciale pour les installations solaires sur toiture ou en extérieur, où la chaleur peut poser problème.

Imagerie thermique à distance, détection intelligente des anomalies pilotée par l’IA et alertes automatisées

La surveillance proactive ajoute une couche critique de défense au-delà des contrôles matériels et du système de gestion de la batterie (BMS) :

• Imagerie thermique infrarouge elle fournit une cartographie continue, sans contact, de la température de surface permettant d’identifier les points chauds avant qu’ils ne s’aggravent.
• Analytique pilotée par l'IA elle met en corrélation les dérives de tension, les variations d’impédance et les tendances thermiques entre les modules afin de détecter des anomalies invisibles aux alarmes basées sur des seuils.
• Alertes automatisées elle avertit les techniciens avec des diagnostics contextuels, permettant une intervention avant que de légères déviations ne se transforment en pannes.
  Cette approche réduit de 34 % les arrêts imprévus dans les parcs de stockage solaire et diminue sensiblement la dépendance à l’égard des maintenances réactives, renforçant ainsi la sécurité et la fiabilité à long terme.

FAQ

• Quelles sont les causes de la réaction thermique incontrôlée (thermal runaway) dans les batteries au lithium-ion destinées au stockage d’énergie solaire ?

  La réaction thermique incontrôlée peut survenir en raison de défauts internes au sein des cellules de la batterie, de dommages externes ou de l’usure normale. Elle implique une réaction en chaîne de chaleur qui aggrave le problème, souvent déclenchée par des courts-circuits internes.

• Quelle est la certification UL 9540A et pourquoi est-elle importante ?

  La certification UL 9540A implique des essais incendie approfondis afin d’évaluer la propagation de la réaction thermique incontrôlée (thermal runaway) dans les systèmes de batteries solaires. Les systèmes dotés de cette certification intègrent des enceintes ignifuges et d’autres dispositifs de sécurité destinés à empêcher le transfert de chaleur entre les modules.

• En quoi un système de gestion de batterie (BMS) renforce-t-il la sécurité des batteries ?

  Un BMS gère la surcharge, la décharge excessive, les courts-circuits et la surveillance de l’isolement afin de maintenir des performances optimales de la batterie et d’éviter des situations dangereuses.

• Quels sont les avantages liés à l’utilisation de batteries au lithium fer phosphate (LFP) pour le stockage solaire ?

  Les batteries LFP offrent une stabilité thermique grâce à leur structure spécifique, ce qui réduit le risque d’incendie et assure une durée de vie plus longue comparée à d’autres chimies, telles que celles à base de nickel ou de cobalt.