Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

MINES-ENERGIE Dossier Stockage de l’Energie Janvier-Février 2005 STOCKA~1.DOC 1

MINES-ENERGIE Dossier Stockage de l’Energie Janvier-Février 2005 STOCKA~1.DOC 1/7 LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE Virginie SCHWARZ (CM93) Directrice opérationnelle déléguée Energie, Air, Bruit – ADEME Bernard GINDROZ Chef du département Industrie Agriculture - ADEME L’électricité est un vecteur énergétique très pratique, mais un de ses inconvénients essentiels est sa difficulté à être stocké : sitôt produite, sitôt utilisée, ce qui implique un réseau de distribution. Or, une bonne partie des activités humaines a besoin de s’affranchir de cette contrainte. Autre besoin, celui de la sécurité d’approvisionnement ou plutôt de sa continuité, surtout pour des périodes très courtes : bon nombre d’équipements ne supportent pas de microcoupures d’alimentation. Ces différents besoins peuvent être couverts par les accumulateurs, dispositifs de stockage d’électricité. L’expansion rapide des appareils électroniques « nomades » (ordinateurs et téléphones portables, assistants personnels, caméscopes, etc.) a été rendue possible grâce aux progrès des accumulateurs qui l’ont accompagnée. Cette profonde mutation dans le domaine du « portable grand public » ralentit aujourd’hui dans les pays développés. Mais d’autres mutations de la société sont en cours et d’autres secteurs de l’économie expriment à leur tour le besoin accru de sources d’énergie performantes, que ce soit dans le domaine des transports ou dans le domaine stationnaire. Par exemple, la réduction de consommation et d’émissions polluantes des véhicules automobiles pousse les constructeurs à électrifier certaines fonctions, d’où le besoin de davantage de puissance électrique disponible à bord. Autre exemple, la dérégulation de la fourniture d’électricité qui conduit à des modifications de prise en compte de la notion de « qualité de courant », d’où le besoin de stockage pour assurer la qualité de courant. L’analyse des caractéristiques techniques des accumulateurs et des domaines d’utilisation montre que contrairement aux accumulateurs classiques (Plomb, Ni/Cd), les nouvelles familles d’accumulateurs (Ni/MH et Lithium) sont en mesure de répondre efficacement à ces besoins. Les familles Lithium devraient être en mesure de supplanter les accumulateurs classiques utilisés dans les applications transport et stationnaire dès lors que les coûts seront diminués et les problèmes de sécurité résolus. En effet, dans les applications transports, les accumulateurs au lithium présentent des énergies spécifiques élevées qui contribuent à augmenter l’autonomie des véhicules électriques, ainsi que des puissances massiques importantes favorables pour les véhicules hybrides. Pour les applications stationnaires, les accumulateurs au lithium présentent en outre l’avantage de satisfaire les gestionnaires de parc qui se plaignent aujourd’hui de l’impossibilité de prévoir la défaillance de la batterie, en particulier avec les batteries au plomb. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DES ACCUMULATEURS Les accumulateurs restituent, sous forme d’énergie électrique l’énergie chimique générée par des réactions électrochimiques. Un accumulateur, quelle que soit la technologie utilisée, est pour l’essentiel défini par quatre grandeurs : sa densité d’énergie massique (ou énergie spécifique), en Wh/kg, correspond à la quantité d’énergie stockée par unité de masse d’accumulateur sa densité d’énergie volumique, en Wh/l, correspond à la quantité d’énergie stockée par unité de volume d’accumulateur sa densité de puissance massique, en W/kg, représente la puissance que peut délivrer l’unité de masse d’accumulateur sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycle (un cycle correspond à une charge et une décharge), caractérise la durée de vie de l’accumulateur, c’est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer le même niveau d’énergie après chaque nouvelle recharge. Les fabricants d’accumulateurs ont étudié ces vingt dernières années de nombreux couples électrochimiques pour remplacer les accumulateurs traditionnels, plomb et nickel/cadmium (Ni/Cd). Plus récemment, deux nouvelles familles d’accumulateurs, le nickel/hydrure métallique (Ni/MH) et le lithium-ion (Li-ion) ont vu le jour. Ces deux systèmes possèdent des énergies spécifiques et des densités d’énergie très supérieures aux systèmes traditionnels, et supplantent le plomb ou le nickel/cadmium pour toutes les applications de téléphonie portable. MINES-ENERGIE Dossier Stockage de l’Energie Janvier-Février 2005 STOCKA~1.DOC 2/7 Les performances de ces nouveaux systèmes sont rappelés dans le tableau 1 ci-après et comparées aux accumulateurs traditionnels. Tableau 1. Comparaison des caractéristiques techniques des accumulateurs Plomb Ni/Cd Ni/MH ZEBRA Li phosphate Li ion Li polymère Energie spécifique (Wh/kg)* 30-50 45-80 60-110 120 120-140 150-190 150-190 Densité d’énergie (Wh/litre)* 75-120 80-150 220-330 180 190-220 220-330 220-330 Puissance en pointe (W/kg) Jusqu’à 700 Jusqu’à 900 200 Jusqu'à 800 Jusqu’à 1500 Jusqu'à 250 Nombre de cycle (charge/décharge) 400-600(1) 1200(2) 2000 1500 800 >2000 500-1000 200-300 Autodécharge par mois 5% 20% 30% 12 % par jour 5% 10% 10% Tension nominale d’un élément 2V 1,2V 1,2V 2,6 V 3,2V 3,6V 3,7V Gamme de température de fonctionnement -20°C à 60°C -40°C à 60°C -20°C à 60°C - 40°C à 50°C 0°C à 45°C (charge) -20°C à 60°C (décharge) -20°C à 60°C 0°C à 60°C Avantages Faible coût Fiabilité Performan ces à froid Très bonne densité d’énergie Très bonne densité d'énergie Bonne cyclabilité Très bonne densité d’énergie, sécurité, coût, cyclabilité Excellente énergie et puissance Batteries minces possibles Inconvénients Faible énergie Mort subite Relativem ent basse énergie Toxicité Coût des matériaux de base Comportem ent en température Puissance limitée Auto- consommatio n Charge à basse T° Sécurité des gros éléments Coût Performances à froid Coût Coûts Indicatifs (3) (€/kWh) 200 à 250 (1) 200 (2) 600 1500 à 2000 800 à 900 1000 à 1800 2000 1500 à 2000 * Les chiffres extrêmes des fourchettes correspondent à des tailles différentes d’éléments (les gros éléments ayant en général des énergies plus élevées) ou à des conceptions pour des applications différentes. (1) étanche; (2) tubulaire ; (3) pour les volumes actuels de production Les technologies utilisables pour la traction : MINES-ENERGIE Dossier Stockage de l’Energie Janvier-Février 2005 STOCKA~1.DOC 3/7 Plomb-Acide Les batteries au plomb voient leurs performances limitées par une importante modification morphologique des matières actives au cours du cyclage conduisant à un faible taux d'utilisation de ces dernières. Elles ont néanmoins l'avantage d'une production industrielle de masse sans comparaison avec les autres filières. Leur coût, nettement inférieur à celui des autres technologies reste le principal facteur d'attraction pour les constructeurs automobiles. La dernière Citroën C3 équipée d'un alterno-démarreur utilise encore une batterie au plomb. Les premières batteries 36 V sont en tests chez certains constructeurs. L'augmentation du rendement des matières actives ayant jusqu'a ce jour été une butée, les améliorations possibles reposent surtout vers la recherche de nouvelles architectures internes (pseudo-bipolaire, bipolaire) et de nouveaux procédés de mise en œuvre (compression, mousses métalliques). Nickel-Cadmium Longtemps restées du domaine des hautes technologies (aéronautique, télécommunications), les batteries Ni/Cd sont passées au domaine grand public avec l'outillage électroportatif. Elles ont connu en France un important développement avec les véhicules électriques du groupe PSA puis de RENAULT. Réputées performantes et fiables, les batteries Ni/Cd souffrent selon le mode d'utilisation, d'un "effet mémoire" réduisant la capacité utilisable. L'effet est cependant réversible et un cyclage approprié permet de retrouver la capacité initiale. En raison de son coût et d'une moins bonne résistance aux utilisations abusives, la technologie étanche est très peu répandue dans le domaine de la traction. Les réglementations européennes sur les métaux lourds menacent aujourd'hui cette technologie qui emploie de grandes quantités de cadmium. Nickel-Hydrure La mauvaise image environnementale du Cadmium a conduit au développement de ce couple pour la traction. L'utilisation d'un hydrure métallique pour la négative entraîne un surcoût mais apporte aussi une meilleure capacité. Les batteries Ni/MH sont exclusivement étanches. De ce fait, elles tolèrent moins bien les surcharges et les températures élevées que les batteries Ni/Cd. En raison de leurs caractéristiques élevées en puissance et cyclabilité, ces batteries sont de bonnes candidates pour les applications hybrides à forts régimes et faible amplitude de cyclage. Le constructeur PANASONIC a successivement développé pour TOYOTA deux générations d'accumulateurs Ni/MH de puissance. La seconde génération d'éléments prismatiques qui équipe le véhicule hybride PRIUS II fait référence en termes de performances et de fiabilité. La garantie offerte par le constructeur sur ce composant est de 8 ans. D'autres constructeurs comme GP Batteries proposent des produits aux performances un peu moins élevés mais à un coût nettement inférieur. En France, la SAFT propose pour un coût encore trop élevé, une gamme Ni/MH basée sur les développements de SAFT USA. Lithium-Ion Des accumulateurs lithium-ion, de type "rocking-chair" doté d'une négative en carbone ont été développés spécifiquement pour les applications automobiles. En France, aux Etats Unis comme au Japon, des véhicules électriques équipés de telles batteries ont déjà démontré des performances jusqu'alors jamais atteintes. Contrairement aux couples précédents, les batteries au lithium utilisent un électrolyte non aqueux. Ceci constitue un avantage en éliminant la réaction parasite de décomposition de l'eau. Cependant, la formulation d'un électrolyte est rendue délicate par un compromis difficile à réaliser. Outre une conductivité élevée dans la gamme des températures ambiantes, l'électrolyte constitué d'un sel de lithium en solution dans un solvant organique doit présenter une bonne stabilité chimique et thermique vis à vis des autres composants de la cellule. En France, cette technologie est développée par la SAFT, à Poitiers pour les éléments de faible capacité, à Bordeaux pour les éléments de traction. Principalement pour des raisons de coût, ces accumulateurs sont aujourd'hui encore fort peu répandus. uploads/Management/ le-stockage-electrochimique-pdf.pdf