L'homme est né bon mais la société que le provoque pour devenir méchant hassou <ballouki@hotmail.com> (19.10.2010)

Revue 3E.I n°6 juin 1996, pp.59-64. 1 LE STOCKAGE DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE MOYENS ET APPLICATIONS Synthèse de la Journée d'Études SEE Clubs 13 et 11, du 1er février 1996 au CNAM Paris Bernard MULTON! et Jean-Marie PETER" !École Normale Supérieure de Cachan Antenne de Bretagne — LÉSiR, "Président du club 13 de la SEE Introduction Cet article donne une synthèse critique de la journée d'étude SEE du 1er février 1996 dont l'objectif était de faire le point sur un problème fondamental du génie électrique : le stockage de l'énergie électrique. L'énergie électrique représente actuellement 12% de la totalité de l'énergie traitée par les hommes sur la terre. Cette proportion va encore croître considérablement au cours des prochaines années (34% prévus en 2025) dans un contexte de diminution des ressources combustibles fossiles, d'une plus grande utilisation des énergies renouvelables et d'un plus grand respect de l'environnement. Le stockage de l'énergie électrique devient plus que jamais une nécessité, or l'électricité se stocke difficilement. Depuis l'invention de la bouteille de Leyde en 1745, de la pile de Volta en 1799 puis de l'accumulateur de Planté en 1859, on est tenté de croire qu'il y a eu peu de progrès. Cependant, si l'on est attentif aux récentes réalisations, on peut observer une amélioration sensible des performances des dispositifs de stockage de l'électricité. Et si aucun miracle n'est attendu, l'évolution est suffisamment prometteuse pour envisager de nouvelles applications. Les principaux moteurs de ce développement sont la forte croissance des applications portables (téléphones, microordinateurs...), la demande en moyens de transport non polluants et, enfin, les besoins des réseaux de distribution d'énergie. Ainsi, nous avons abordé, à travers huit exposés, les principaux moyens de stockage (électrochimique, électromagnétique, inertiel, capacitif) associés à leurs principales applications. La journée s'est terminée par un exposé de "synthèse à chaud" de Jean-François Fauvarque, Professeur titulaire de la chaire d'électrochimie du CNAM, puis autour d'une table ronde dont le thème de départ était les supercondensateurs. Conférences : [1] André MARQUET (EDF-DER) : "Problèmes généraux du stockage de l'énergie électrique". [2] Séverine LAURENT (EDF-DER) : "Intérêt économique des batteries dans les postes sources". [3] Pierre-Guy THEROND (EDF-DER), Yves LAUMOND (GEC-Alsthom) : "Stockage électromagnétique" [4] Michel BROUSSELY (SAFT) : "Stockage électrochimique pour le véhicule électrique". [5] Jean-Paul YONNET (LEG, INP Grenoble) : "Le stockage par volant d'inertie". [6] Michel BRAMOULLÉ (LCC) : "Évolution des technologies du stockage capacitif". [7] Luc WUIDART (SGS-Thomson) : "Comment charger des batteries Li-Ion, NiCd ou NiMH en une heure". Exposé présenté par Jean-Marie PETER. [8] Jean-François FAUVARQUE, au cours de la table ronde : "Les supercapacités". Bilan des exposés et des discussions avec les participants L'électricité se stocke mal ce qui a pour conséquence des dispositifs encombrants et coûteux. Les moyens sont connus depuis longtemps : la batterie au plomb date de 1859, celle au cadmium-nickel de 1892. On peut ainsi s'étonner de voir encore des études sur ces sujets. La complexité des phénomènes ainsi que la durée de validation justifient ces longs délais de gestation. Un accroissement des performances rendra possibles la traction électrique automobile et l'adaptation de la production à la consommation qui semblait, naguère, impossible. Il existe de bonnes chances pour que l'on utilise un stockage "impulsionnel" afin d'assurer un certain découplage entre la demande et la production. Ce stockage requiert des systèmes d'accumulation mécaniques, électrostatiques, magnétiques ou électrochimiques associés à des convertisseurs électroniques de puissance. Tout cela est aujourd'hui techniquement possible, il ne reste qu'à ce que les promesses de baisse des coûts se réalisent. MOYENS DE STOCKAGE Condensateurs [1, 6] : L'énergie W = 1 C V 2 . 2 est limitée par le claquage diélectrique de l'isolant, elle sera d'autant plus grande que son champ disruptif Ed et sa permittivité sont élevés : W Volume = 1 r o Ed 2 ε .ε . 2 . Dans [6], seules les technologies film sont analysées en détail. La technologie électrolytique est limitée en tension Revue 3E.I n°6 juin 1996, pp.59-64. 2 (600 V), en énergie unitaire (600 J) ainsi qu'en puissance de décharge (10 mA/μF à 40°C), l'énergie volumique maximale vaut environ 600 J/litre. Notons qu'elle constitue dans un certain nombre de cas une alternative à ne pas négliger. Les condensateurs céramiques de type II (baryum ou strontium) sont intéressants pour le stockage de faibles quantités d'énergie avec une densité de 600 J/litre environ. En ce qui concerne la technologie film, on atteint aujourd'hui, avec le polypropylène aluminisé environ 1000 J/litre (0,3 W.h/litre). L'utilisation de PVDF (polyvinyle bifluoré εr = 10,5 et Ed = 250 V/μm) permet d'atteindre 1 W.h/litre (0,4 W.h/kg) mais son coût n'est pas acceptable. L'énergie volumique des condensateurs film est passée de 50 J/litre en 1965 à 650 voire 1000 J/litre en 1995. Les technologies au papier sont progressivement remplacées par la technologie film polypropylène métallisé. La sécurité en cas de claquage est assurée par une nouvelle conception multicellulaire de la métallisation dans laquelle chaque cellule est séparée de ses voisines par des zones fusibles (pour un condensateur 5600 μF-1100 V, 2550 m2 de film et 650 000 fusibles). On envisage, pour les années à venir, de nouveaux types de diélectriques (Ed multiplié par 3 et εr > 10) ainsi qu'une réduction d'épaisseur des dépôts qui pourraient offrir des énergies volumiques de 5000 J/litre à condition que soient résolus les problèmes de champ électrique aux interfaces avec l'extérieur. Supercapacités [1, 8] : Le principe est voisin de celui du condensateur mais le film diélectrique est remplacé par un électrolyte conducteur ionique dans le quel le déplacement des ions s'effectue le long d'une électrode conductrice à très grande surface spécifique (grains de carbone percolants ou polymères conducteurs micro-fibreux : 1200 m2 par gramme). On obtient ainsi de meilleures énergies volumiques que dans les condensateurs (5 W.h/kg voire 15 W.h/kg mais à un coût prohibitif) mais avec une constante de temps de décharge plus élevée à cause de la lenteur de déplacement des ions dans l'électrolyte (800 à 2000 W/kg). La tension par élément est limitée à 2,5 ou 3 V (modules jusqu'à 1500 F) et nécessite généralement une mise en série contrairement au condensateur. On peut craindre un risque de déséquilibre lors de cette mise en série : pratiquement il n'y a pas de problème, l'équilibre se fait bien car il y a peu de dispersions de caractéristiques. A la différence des dispositifs électrochimiques, il n'y a pas de réaction chimique ce qui accroît considérablement la cyclabilité. Accumulateurs électrochimiques [1, 2, 4, 7] : Ils sont constitués d'un couple électrochimique composé de deux électrodes séparées par un électrolyte et aux interfaces desquelles interviennent des réactions d'oxydation ou de réduction qui cèdent ou absorbent des électrons. Les ions ainsi générés circulent dans l'électrolyte. Pour avoir une grande énergie stockée, il faut un grand nombre d'électrons échangés par mole ainsi qu'une réaction entre un élément très oxydant et un autre très réducteur (le couple Lithium-Fluor a une fem théorique de 6 V). Il faut en outre une parfaite réversibilité des processus électrochimiques et des matériaux à faible masse ou volume molaire. Mais la masse des matières actives (sans séparateurs ni électrolyte !) ne représente que 10 à 30% de la masse totale. Les réactions chimiques sont sensibles à la température, ainsi certains types d'accumulateurs sont inefficaces à basse température ( 600), une plage de température étendue (-40 à +85°C) et un coût faible... Seules, les batteries électrochimiques sont capables de relever le défi mais leurs performances en décharge rapide sont insuffisantes (rendement et vieillissement), aussi envisage-t-on de les associer à des dispositifs complémentaires comme les volants d'inertie ou les supercapacités. Il faut cependant trouver des solutions électroniques d'association acceptables sur le plan du coût ; en effet la tension batterie varie peu avec l'état de charge contrairement aux autres dispositifs auxquels on souhaite l'associer. Actuellement, seules les filières plomb et Ni-Cd ont une maturité industrielle suffisante et continuent à subir des améliorations mais elles n'offrent pas le niveau de performances attendues. De gros programmes de recherche ont été initiés (notamment US-ABC : advanced battery consortium, LIBES au Japon et PREDIT en France). Au Japon, les investissements se focalisent sur les batteries lithium. La filière sodium (NaNiCl2) reste envisagée (Allemagne et USA) malgré la nécessité de fonctionner à 300°C et la perte d'énergie correspondante. On peut estimer la quantité d'énergie à stocker en fonction de la masse et de l'autonomie requises en considérant une consommation d'environ 135 W.h/tonne/km et une puissance de 40 kW/tonne. Ainsi plusieurs analyses sont effectuées dans [4] pour montrer les effets du choix de la technologie de batteries et de leur masse embraquée sur l'autonomie, la durée de vie et le coût au km pour un véhicule de 800 kg (hors batteries). Le NiCd et le NiMH offrent la plus longue durée de vie (≈ 6 ans), le lithium-carbone conduit à la plus grande autonomie (≈ 200 km) et au meilleur coût kilométrique. Une autonomie de 300 km est envisageable à moyen terme, dans ces conditions, le véhicule électrique urbain deviendrait vraiment compétitif. Revue 3E.I n°6 juin 1996, pp.59-64. Conclusion générale Les progrès de l'électrotechnique et de l'électronique ont complètement transformé le paysage industriel en moins d'un siècle. Seul dans ce domaine, le stockage de l'énergie électrique, qui a peu évolué, fait figure de parent pauvre. Cette journée nous a permis de faire le point et de voir les principales évolutions à venir. Le principe ayant la plus grande capacité de stockage d'énergie électrique est, et restera, l'accumulateur électrochimique. Il n'y a que de faibles améliorations à attendre des technologies classiques, le progrès réel viendra des technologies nouvelles. L'accumulateur au lithium, grand espoir du stockage de l'énergie devrait permettre un gain dans un rapport 3:1. Aujourd'hui, il démarre dans les applications de très petite puissance (équipements électroniques portables) et sa faisabilité industrielle à un coût compatible avec les applications électrotechniques reste à démontrer. Au passif de l'accumulateur électrochimique, il faut citer ses inconvénients, faible puissance massique, durée de vie fonction de l'utilisation, durée de charge longue et maintenance pas toujours négligeable. Dans un domaine très différent, le condensateur a des propriétés très complémentaires de celles de l'accumulateur électrochimique. Stable, avec une durée de vie élevée, il ne demande pas de maintenance, et il est capable de fournir des puissances considérables (plusieurs GW/kg) pendant des durées très courtes. Par contre, il est handicapé par une très faible capacité de stockage en énergie (moins du centième de celle des accumulateurs électrochimiques). Là aussi, on prévoit des progrès (gain de 1 à 5) pour ces prochaines années. Le progrès le plus important viendra d'un nouvel élément, la "supercapacité" qui, après avoir pénétré le domaine des très faibles puissances, commence à arriver dans celui des fortes puissances. Intermédiaire entre les condensateurs et les batteries électrochimiques, ces éléments ouvrent des champs d'application intéressants par leur capacité de surcharge alliée à une capacité de stockage non négligeable. On voit se développer, plus au stade des études qu'à celui des réalisations industrielles, d'autres systèmes qui font appel aux capacités de stockage électromécanique (inertiel) ou électromagnétique supraconducteur. Ces systèmes qui peuvent délivrer des puissances massiques très importantes nécessitent des “ accessoires ” qui conduisent à des coûts très élevés. Dans le cas du stockage électromagnétique, il faut prendre en compte la maintenance des dispositifs de réfrigération des supraconducteurs. Les applications de ces systèmes de stockage sont donc très restreintes et ne concernent que des activités très particulières qui permettent d'en accepter le coût. Dans certains cas il est nécessaire de pouvoir stocker l'énergie longtemps avec un faible encombrement et/ou une faible masse, dans d'autres cas, il faut pouvoir délivrer rapidement cette énergie, se pose alors le problème de la puissance maximale de décharge. Il apparaît un compromis puissance maximale/rendement (théoriquement [8], de façon générale : à la puissance maximale délivrable par le dispositif, le rendement de conversion est égal à 50%, cependant, des phénomènes thermiques ou autres peuvent limiter la puissance maximale à des valeurs inférieures correspondant à un rendement moins mauvais). Dès que les énergies volumiques deviennent élevées, les contraintes mécaniques posent des problèmes de résistances des matériaux [3]. Le nombre de cycles de charge/décharge est un critère important. Dans les batteries électrochimiques, le nombre maximal de cycles est assez faible (quelques centaines à quelques milliers) à causes des dégradations dues aux réactions chimiques. Dans les inductances supraconductrices et les volants d'inertie, ce nombre est limité par la résistance à la fatigue mécanique. Les futurs condensateurs film à très haute énergie vont connaître également ces limites. Précisons enfin que la maturité industrielle est loin d'être la même pour toutes les technologies envisagées. Seule une exploitation longue permet de juger de la cyclabilité, c'est en particulier le cas des batteries électrochimiques. Hormis ces dernières, les différents moyens de stockage délivrent une “ grandeur source ” (tension, courant, vitesse...) plus ou moins variable avec l'état de charge (Dans le cas d’une relation quadratique : à 75% de décharge, la grandeur source est à 50% de sa valeur maximale). Se pose alors le problème du surdimensionnement en puissance du convertisseur électronique, dans le cas de systèmes à tension variable ou à courant variable devant être capable de délivrer leur puissance maximale sur une plage étendue (dans le cas du stockage inertiel : le problème se pose soit pour la machine électromagnétique soit pour le convertisseur électronique). L'évolution de l'électronique de puissance est un facteur clé des applications du stockage en forte puissance. En effet les montages à thyristors réversibles en puissance active, consomment toujours de la puissance réactive, même s'ils sont très simples, on leur préfère maintenant des convertisseurs à commutation forcée capables de fonctionner dans les quatre quadrants du plan P-Q. L'évolution des thyristors GTO et des IGBT ainsi que les nouvelles structures de convertisseurs permettent d'envisager leur utilisation dans les interfaces sources de stockage réseau moyenne, voire haute, tension. Dans les applications portables très basse tension, c'est la technologie MOS à très haute densité d'intégration qui permet d'atteindre les très bons rendements requis. L'un des problèmes associé au stockage de l'énergie électrique est la charge rapide qui requiert Revue 3E.I n°6 juin 1996, pp.59-64. 5 beaucoup de puissance électrique installée (électronique de puissance) et une capacité intrinsèque du dispositif de stockage à emmagasiner rapidement l'énergie avec un bon rendement (même problème qu'à la décharge). Le tableau comparatif suivant permet de récapituler les principales caractéristiques de quelques unes des technologies analysées. Il a été établi à partir des informations de la journée SEE et de celles extraites des publications [REIN_SD96] et[ANZ_TI89].. performances 1995 accumulateurs électrochimiques Pb-acide Ni-Cd LiC NaS inertiel inductif condensateurs Supercapacités W.h/kg 30 50 150 120 25 # 4 $ 0,25 $ 5.5 # W/kg crête 80 200 200 150 ≈ 2000 28 106 % qq 104 500 à 2000 densité 2.4 2 2.6* 1.1 2 2.1 1.39 2 cyclabilité 500 à 80% de PdD* 1500 ≈ 1000 ≈ 100 très élevé % très élevé % très élevé % élevé maturité industrielle oui oui oui : petits accu non : gros débuts non oui pour les supra BT oui oui : petits accu non : gros temps minimal de décharge 15 mn 15 mn 45 mn 45 mn 1 mn 1 mois ≈ 1 mois > 1 an qq jours qq mn > 1 h qq s qq mn coût de l'énergie ou de la puissance ≈ 1000 F/kW.h ≈ qq 1000 F/kW.h ? ? > 1000 F/kW ? ? qq 100 F/kW (*PdD : profondeur de décharge) Comme l’indique le tableau ci-dessus, ce sont encore les batteries électrochimiques qui permettent de stocker la plus grande énergie volumique ou massique ce qui explique leur succès. Cependant leur longévité et leur rapidité de décharge sont insuffisantes dans certaines applications. Puisqu'aucun système de stockage ne possède les deux qualités de pouvoir stocker beaucoup d'énergie et de pouvoir la délivrer rapidement (puissance), on a intérêt, dans certains cas, à combiner deux dispositifs ayant des qualités complémentaires, par exemple, une batterie électrochimique et une supercapacité. Le stockage inertiel est très prometteur en termes de compromis puissance/énergie. En résumé, nous voyons deux tendances se dégager ces prochaines années pour des progrès limités : de nouvelles technologies d'accumulateurs électrochmiques (en particulier, lithium) pour le stockage de quantités importantes d'énergie et, pour leur bon compromis énergie/puissance massiques : les supercapacités et les volants d'inertie. En rêvant, la révolution viendra plus tard de la pile à combustible, grande absente de cette journée. Elle permettra peutêtre, non pas demain, mais après demain d'obtenir pour l'énergie électrique, des capacités de stockage voisines de celles des hydrocarbures associées aux moteurs thermiques, cent fois plus élevées que celles des accumulateurs actuels et encore trente fois plus élevées que celle des nouveaux accumulateurs qui seront opérationnels, à grande échelle, dans quelques années. En tout cas il est important de rappeler que, selon les applications, les exigences fonctionnelles sont différentes et que dans l'état actuel des connaissances, toutes les solutions de stockage évoquées peuvent trouver leur place. Bibliographie complémentaire [REIN_SD96] G. REINER, "Energy and non conventional weapons", Conf. Sciences et défense 96, janvier 1996, pp.369-382. [ANZ_TI89] J.P. ANZANO, P. JAUD, D. MADET, "Stockage de l'électricité dans le système de production électrique", Techniques de l'ingénieur, traité de Génie Électrique, D4030, 09/1989 stockage <ballouki2000@yahoo.fr> (24.06.2009)

L'homme vive dans les milieux très varies .et leur manier de vie et très différent les condition de vie dans certains pays très déficile pousse les homme à emmigré lahcen <ballouki@yahoo.fr> (4.03.2008)

Puisqu’on adore le même Dieu pourquoi cette différence entre les couches sociales bassou <ballouki2000@yahoo.fr> (12.09.2007)

La pauvreté Ouf ! Pauvreté Qui me suit contre mon gré. Me presse le pas Partout, Partout. Je n'en veux plus Qu'il me quitte Ce mal du manque Qu'il me laisse voler Ailes déployées. Qu'elle me quitte, la pauvreté. La pauvreté Argument de mes faiblesses: Ma laideur, ma misère Ma maigreur, ma parcimoniosité, N'est ni mon choix, ni mon droit. ballouki <ballouki@yahoo.fr> (8.07.2007)

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Puisqu’ on adore la même Dieu pourquoi cette différence entre les couches sociales lahcen <ballouki2000@yahoo.fr> (13.03.2007)

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