Dégradation · Glossaire

La dégradation désigne le vieillissement progressif d'une installation technique ou d'un composant, qui entraîne la perte de propriétés utilisables. Dans le système électrique, cela concerne surtout les installations dont la performance doit rester disponible de manière fiable pendant de nombreuses années. Il s'agit notamment des batteries, des électrolyseurs, des piles à combustible, des modules photovoltaïques, de l'électronique de puissance, des transformateurs et des câbles. Le terme ne décrit pas un défaut isolé, mais une évolution continue, le plus souvent irréversible. L'installation continue de fonctionner. Elle peut toutefois stocker moins d'énergie, fournir moins de puissance, atteindre un moins bon rendement ou atteindre plus rapidement ses limites de fonctionnement.

Pour les batteries, la dégradation est particulièrement visible, car elle affecte directement la capacité utilisable et la puissance disponible. Exemple : à l'état neuf, une batterie stocke 100 kilowattheures. Après plusieurs années, elle ne met peut-être plus que 85 ou 80 kilowattheures à disposition. Parallèlement, la résistance interne augmente souvent. Dans ce cas, davantage d'énergie est convertie en chaleur lors de la charge et de la décharge, et les puissances de charge ou de décharge élevées sont plus difficiles à atteindre. Pour un stockage par batterie, la capacité initiale installée ne suffit donc pas. Ce qui compte, c'est la capacité qui reste réellement disponible pendant la durée d'utilisation prévue.

Importance technique pour les batteries

Les batteries vieillissent en raison de modifications chimiques et mécaniques dans les cellules. La structure des électrodes se modifie, et des réactions secondaires consomment de la matière active. De plus, la couche limite entre l'électrode et l'électrolyte s'épaissit. Dans des conditions défavorables, du lithium peut en outre se déposer sous forme métallique (placage de lithium) et est alors définitivement perdu pour le stockage. Certains de ces processus se produisent aussi lorsque la batterie est à peine utilisée. C'est pourquoi on distingue le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique.

Le vieillissement calendaire dépend surtout du temps, de la température et de l'état de charge. Une batterie vieillit donc aussi à l'arrêt. Cela vaut en particulier lorsqu'elle est exploitée ou stockée longtemps à un état de charge élevé et à haute température. Le vieillissement cyclique résulte des opérations de charge et de décharge. Il dépend de la profondeur de décharge, de la puissance de charge et de décharge, de la chimie des cellules, de la plage de température et de la stratégie d'exploitation. Une batterie qui passe chaque jour de presque vide à presque pleine vieillit autrement qu'une batterie qui travaille dans une plage de charge plus étroite.

Le C-rate indique à quelle vitesse une batterie est chargée ou déchargée par rapport à sa capacité. À un C-rate de 1, la batterie est théoriquement chargée ou déchargée complètement en une heure. À 0,5 C, cela prend deux heures. Les C-rates élevés sollicitent davantage les cellules, surtout à une température ou à un état de charge défavorable. Une puissance élevée est techniquement possible, mais elle coûte de la durée de vie si elle accélère le vieillissement. L'exploitation et la rentabilité sont donc étroitement liées.

L'état de vieillissement est le plus souvent exprimé par l'état de santé (State of Health, SoH). Il décrit la part de capacité ou de performance encore disponible par rapport à l'état neuf. Le règlement (UE) 2023/1542 sur les batteries définit l'état de santé comme une mesure de l'état général d'une batterie rechargeable. Il décrit sa capacité à fournir la performance spécifiée par rapport à son état initial. Conformément à l'article 14, depuis le 18 août 2024, les systèmes de gestion de batterie des systèmes de stockage d'énergie par batterie stationnaires, des batteries LV et des batteries de véhicules électriques doivent contenir des données actualisées sur les paramètres visés à l'annexe VII. Ces paramètres servent à déterminer l'état de santé et la durée de vie prévue. Pour les stockages stationnaires, ils comprennent notamment la capacité restante, la performance restante, le rendement aller-retour (round-trip), l'évolution de l'autodécharge et la résistance interne. Certains acteurs, tels que les acheteurs ou les agrégateurs indépendants, obtiennent un accès en lecture à ces données. Cela permet par exemple d'estimer la valeur résiduelle d'une batterie ou la possibilité de la réutiliser. Le système de gestion de batterie devient ainsi aussi, sur le plan juridique, la source centrale de données sur la dégradation.

Dégradation des électrolyseurs et du photovoltaïque

Pour un électrolyseur, la dégradation se manifeste surtout par une tension de cellule croissante à densité de courant égale. Pour la même quantité d'hydrogène, il faut donc davantage d'électricité. À puissance électrique égale, il se forme par conséquent moins d'hydrogène. Dans les programmes de soutien européens, la dégradation du stack est exprimée en perte d'efficacité en pourcentage par 1000 heures de fonctionnement. Le Clean Hydrogen Partnership en donne l'exemple suivant : 0,125 pour cent par 1000 heures correspondent, après dix ans à raison de 8000 heures de fonctionnement par an, à une consommation d'énergie supérieure d'environ 10 pour cent. Le département américain de l'Énergie fixe la fin de vie des électrolyseurs PEM à une hausse de tension de 10 pour cent par rapport à l'état neuf, mesurée à densité de courant égale. Il souligne en outre que l'évaluation doit aussi tenir compte du fonctionnement dynamique et des cycles marche-arrêt. L'exploitation flexible, précisément celle qui est souhaitée pour le système électrique, peut donc influencer le vieillissement.

Pour les modules photovoltaïques, la dégradation se manifeste le plus souvent par une puissance qui baisse lentement à rayonnement comparable. Une analyse très citée du National Renewable Energy Laboratory (NREL) américain a réuni près de 2000 taux de dégradation issus de mesures sur le terrain. La médiane était de 0,5 pour cent par an, la moyenne d'environ 0,8 pour cent par an. La plupart des valeurs étaient inférieures à 1 pour cent par an. Ces taux de long terme n'incluent en général pas la dégradation initiale de courte durée induite par la lumière durant les premières heures de fonctionnement. Selon la technologie et le climat, les valeurs peuvent s'écarter nettement.

Distinction avec le défaut, le rendement et la disponibilité

La dégradation n'est pas la même chose qu'une défaillance. Un composant défaillant ne remplit plus sa fonction, ou seulement en dehors des conditions de fonctionnement admissibles. Un composant dégradé remplit toujours sa fonction, mais avec une qualité moindre ou dans une plage utilisable plus réduite. Cette distinction est importante pour la planification et la régulation. Une installation peut être disponible et pourtant fournir moins que ce qui était supposé à l'origine.

La dégradation n'est pas non plus la même chose que le rendement. Le rendement décrit le rapport entre le bénéfice et l'effort, c'est-à-dire entre la puissance ou l'énergie fournie et celle absorbée, dans des conditions de fonctionnement données. La dégradation, elle, est l'évolution de ces grandeurs caractéristiques dans le temps. Elle peut détériorer le rendement, mais ne s'y manifeste pas nécessairement en premier. Pour les batteries, c'est souvent la perte de capacité qui frappe d'abord. Pour les électrolyseurs, en revanche, le besoin croissant d'électricité par kilogramme d'hydrogène, c'est-à-dire une baisse du rendement, est la caractéristique même de la dégradation.

La disponibilité est elle aussi une notion différente. Elle décrit si une installation est techniquement opérationnelle. La dégradation décrit avec quelles propriétés elle est opérationnelle. Une batterie à 80 pour cent de capacité restante peut être pleinement disponible. Elle ne remplit toutefois plus la même fonction de stockage qu'à l'état neuf. Qui ne tient pas compte de cet écart planifie avec des hypothèses trop optimistes sur la durée de stockage, les recettes ou les services système.

Pourquoi la dégradation est pertinente pour le système électrique

Les installations techniques du système électrique ne se contentent plus de produire de l'électricité. Elles servent aussi à l'équilibrage, au report dans le temps et à la stabilisation. Les stockages déplacent l'électricité des périodes de forte production vers les périodes de demande plus élevée. Les électrolyseurs doivent fonctionner comme des charges flexibles et produire de l'hydrogène lorsque l'électricité est bon marché ou abondante à partir de sources renouvelables. Les installations photovoltaïques et les parcs éoliens doivent fournir pendant des décennies des quantités d'énergie planifiables. Dans tous les cas, la dégradation détermine en partie quelle puissance et quelles quantités d'énergie peuvent être planifiées de manière fiable sur la durée de vie.

Pour les décisions d'investissement, la dégradation est une grandeur centrale. L'investissement initial seul dit peu de chose sur les coûts réels par kilowattheure utilisable. Des indicateurs comme le coût actualisé du stockage (Levelized Cost of Storage) prennent donc en compte la quantité d'énergie qu'un stockage peut réellement restituer sur sa durée de vie. Si un stockage est très fréquemment sollicité sur le marché, il vieillit plus vite. Les coûts de vieillissement qui en résultent doivent être mis en regard des recettes. Un modèle d'exploitation peut rapporter à court terme des revenus élevés tout en consommant à long terme de la capacité. Dans les calculs, la dégradation apparaît donc souvent sous forme de coûts par cycle ou par kilowattheure converti. Alternativement, on suppose une capacité restante après une certaine durée d'exploitation.

En matière de flexibilité, ce point est souvent négligé. Un stockage par batterie peut réagir rapidement et fournir ainsi des services précieux, par exemple dans le négoce intrajournalier, pour la réserve de régulation ou pour le délestage du réseau. Chaque sollicitation use toutefois l'installation. L'exploitant doit déterminer si une sollicitation supplémentaire justifie les coûts de vieillissement. Les marchés rémunèrent en règle générale l'énergie ou la puissance mobilisée, et non l'usure qui en résulte. L'exploitant doit lui-même l'intégrer dans le prix de ses offres.

Malentendus typiques

Un malentendu répandu consiste à traiter la dégradation comme un pourcentage fixe par an. Pour certaines technologies, il existe des valeurs d'expérience typiques, par exemple les quelque 0,5 pour cent par an cités pour les modules photovoltaïques. Ces valeurs sont toutefois elles aussi des moyennes à forte dispersion. Pour les batteries et les électrolyseurs, le vieillissement dépend fortement de l'exploitation. Deux installations identiques peuvent être, après cinq ans, dans un état très différent. C'est le cas par exemple lorsque l'une a été exploitée dans une plage de température et de charge ménageante et que l'autre a dû souvent fonctionner à forte puissance et à des états de charge défavorables.

Il est tout aussi imprécis d'assimiler nombre de cycles et durée de vie. L'indication qu'une batterie tient un certain nombre de cycles ne vaut que dans les conditions dans lesquelles ces cycles ont été définis. Un cycle de faible profondeur de décharge sollicite la batterie autrement qu'un cycle complet. C'est pourquoi on convertit souvent les cycles partiels en cycles complets équivalents. La température, la puissance de charge et la plage d'état de charge modifient aussi le résultat. La tenue en cyclage n'est donc pas une propriété absolue, mais un indicateur qui ne vaut que sous certaines hypothèses.

Un autre malentendu concerne la capacité restante. La fin de vie d'une cellule est souvent considérée comme atteinte au moment où la capacité est tombée à 80 pour cent de la valeur initiale. Alternativement, la fin de vie est considérée comme atteinte lorsque la résistance interne a doublé. Ces seuils sont toutefois des conventions et non des lois de la nature. Les garanties pour les stockages stationnaires peuvent aussi mentionner d'autres seuils, par exemple 70 pour cent. Une batterie sous le seuil n'est pas sans valeur. Elle peut rester adaptée à des applications moins exigeantes, par exemple comme batterie de seconde vie dans un stockage stationnaire. Sa valeur économique dépend de la fonction qu'elle peut encore remplir et des coûts de contrôle, d'intégration et de sécurité.

Conséquences institutionnelles et économiques

Que la dégradation devienne visible dépend aussi des règles. Les garanties fixent quelle capacité restante est assurée après quelle durée ou quel débit d'énergie. Les concepts de mesure déterminent comment les opérations de charge et de décharge sont documentées. Dans l'UE, le règlement sur les batteries exige désormais que les systèmes de gestion de batterie conservent des données sur l'état de santé. Pour les acheteurs, les fournisseurs de seconde vie et les agrégateurs, la dégradation devient ainsi mieux vérifiable. Les conditions de raccordement au réseau peuvent favoriser des modes d'exploitation qui ménagent une installation ou la sollicitent davantage. Les règles de marché décident si des mobilisations de puissance courtes et fréquentes sont rémunérées.

Le vieillissement technique ne génère pas toujours des coûts là où l'utilisation est déclenchée. Lorsqu'un stockage est utilisé pour éviter des congestions du réseau, son exploitant supporte les coûts de vieillissement, tandis que le bénéfice apparaît dans l'exploitation du réseau. Un électrolyseur exploité de manière très flexible peut améliorer l'intégration de la production renouvelable, mais influencer les besoins de maintenance, l'efficacité et la durée de vie. De tels coûts doivent donc être explicitement pris en compte dans les contrats, les rémunérations ou les offres, faute de quoi l'exploitant les supporte sans les avoir planifiés.

Une installation n'est donc pas décrite uniquement par sa puissance installée, sa capacité nominale ou son rendement à l'état neuf. Pour l'usage pratique, comptent aussi le comportement au vieillissement, les plages de fonctionnement, les garanties, les stratégies de remplacement et les coûts de l'utilisabilité perdue. Le terme de dégradation rend visible que la flexibilité, le stockage et la conversion dans le système électrique sont des processus physiques. Leur valeur économique dépend de la durée pendant laquelle la technique mise en œuvre conserve ses propriétés.

Sources

Verordnung (EU) 2023/1542 über Batterien und Altbatterien — Europäisches Parlament und Rat der EU (EUR-Lex); 2023-07-12. Art. 3 Nr. 25 und 28 (Begriffsbestimmungen), Art. 14, Anhang VII
Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical Review (Preprint) — National Renewable Energy Laboratory (D. C. Jordan, S. R. Kurtz); 2012 (Preprint; Zeitschriftenfassung 2013). Abstract und Histogramm der Degradationsraten
FCH 2 JU – MAWP Key Performance Indicators (KPIs) — Clean Hydrogen Partnership (Clean Hydrogen JU); unbekannt. Abschnitt Hydrogen production, Fußnote 4
Technical Targets for Proton Exchange Membrane Electrolysis — U.S. Department of Energy; unbekannt. Zieltabelle, Fußnoten f und g
Untersuchung: Kreislaufstrategien für Batteriesysteme (Endbericht) — Fraunhofer IPA; unbekannt. Abschnitte zu Lebensdauer, Restkapazität und C-Rate

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Edited by eCMS on 11.11.2026 18:44