Stockage de l'énergie électrique Sources Journées EEA Mars 2009 L’énergie : stockage électrochimique et développement durable, Jean-Marie Tarascon, Paris, Collège de France / Fayard Le stockage d’énergie pour la production de l’électricité de demain Kiosque Citoyen - Rennes 20 septembre 2010 Bernard MULTON Ecole Normale Supérieure de Cachan Laboratoire SATIE - CNRS. Conférence RAEE Nécessité du stockage de l’énergie électrique pour le transport par Gérard Rojat laboratoire Ampère UMR-CNRS Dossier de presse du CEA les nouvelles sources d'énergie miniatures pour applications nomades Mai 2008 Les voitures électriques : enjeux techniques et perspectives d’une nouvelle mobilité respectueuse de l’environnement Renault ECO² février 2009

Problématique

Problématique

Problématique

Problématique

Définitions Energie :Grandeur qui représente la capacité d'un système ou d'un corps à produire du travail, à modifier l'état d'autres systèmes. Forme sous laquelle se manifeste cette grandeur: énergie cinétique, calorifique, électrique, etc. Unité : L’unité du Système International : le joule (J) le kilowattheure : kWh 1 watt-heure (Wh): énergie consommée pendant une heure par un appareil ayant une puissance d'un watt, la tonne équivalent pétrole : tep (Mtep, Gtep…) Exemple 1 kWh 1 cycle de lave-vaisselle 1 tep 20 000 km avec une petite voiture équivalences : 1 kWh = 3,6 MJ 1 tep ≅ 11 600 kWh

Définitions  

Définitions Capacité énergétique Wstoc en Wh (wattheures) grandeur généralement la plus dimensionnante (la « taille » du réservoir d’énergie) Limites en décharge profonde (par exemple une batterie lithium limitée à 80% de profondeur de décharge) La part exploitable est fonction du rendement de charge ou décharge, elle varie donc avec le temps de transfert : - pertes « en charge » - pertes d’auto-décharge Energie exploitable Wutil toujours inférieure à la capacité énergétique Attention à la définition de la capacité énergétique La capacité d’une batterie est généralement donnée en Ah.

Définitions -énergie massique (particulièrement importante dans les applications embarquées, moindre importance dans les applications stationnaires), énergie volumique, sécurité (explosion, rejets…), - temps de réponse (démarrage), etc…

Définitions Rendement : η : énergie restituée sur énergie prélevée Définition souvent trop simpliste: Le rendement doit être défini sur des cycles réalistes en rapport avec l’application. Un système de stockage optimisé pour une faible « constante de temps » aura : - un meilleur rendement pour des sollicitations rapides - éventuellement une assez forte auto-décharge, donc un mauvais rendement sur des cycles avec de longues périodes de repos.

Définitions Nombre maximal de cycles de charge-décharge (cyclabilité) Ncycl : dû à la fatigue ou à l’usure lors des cycles Le cyclage constitue généralement la première cause de vieillissement devant la dégradation thermique classique Cyclabilité fortement liée à l’amplitude des cycles et à l’état de charge moyen Quantification de Ncycl délicate

Exemple de caractéristique de vieillissement en cyclage (technologie Lithium-Ion NCA) Doc. Saft 25 000 à 2000.Wmaxi de 5% à 80% de DOD Source : Saft

Autres critères Le coût d’investissement et de fonctionnement (maintenance). Il est indiqué en € / (kW. h) pour les systèmes dimensionnés en énergie Il est indiqué en € / kW pour les systèmes dimensionnés en puissance La sûreté (polluant, nocif, explosif…)

Les différents moyens de stockage batteries : (Plomb-Acide, Nickel-Cadmium, Lithium…) , énergie massique élevée, faible durée de vie (Ncycl de 100 à 1000) connaissance difficile de l’état de charge. énergie stockée sous forme chimique : Wstock (en W.h) = Q.V

Les différents moyens de stockage batteries : (Plomb-Acide, Nickel-Cadmium, Lithium…) , énergie massique élevée, faible durée de vie (Ncycl de 100 à 1000) connaissance difficile de l’état de charge. énergie stockée sous forme chimique : Wstock (en W.h) = Q.V supercondensateurs : capacités de plusieurs centaines de Farads. énergie stockée sous forme électrostatique: Wstock (en J) = ½ CV². puissances massiques élevées,

Les différents moyens de stockage inductances supraconductrices (SMES : Superconductor Magnétic Energy Storage) : conducteurs de résistance nulle courants très élevés (densité de courant > 300 A/mm²) pratiquement sans pertes. (bobines sans circuit magnétique) énergie stockée sous forme magnétique dans l’air avoisinant la bobine: Wstock (en J) = ½ LI² lourd dispositif de refroidissement (-270 °C) assurant la supraconductivité.

Les différents moyens de stockage inductances supraconductrices (SMES : Superconductor Magnétic Energy Storage) : conducteurs de résistance nulle courants très élevés (densité de courant > 300 A/mm²) pratiquement sans pertes. (bobines sans circuit magnétique) énergie stockée sous forme magnétique dans l’air avoisinant la bobine: Wstock (en J) = ½ LI² lourd dispositif de refroidissement (-270 °C) assurant la supraconductivité. accumulateurs à volant d’inertie (FES : Flywheel Energy Storage) : cylindre massif appelé volant, associé à un moteur / générateur. énergie stockée sous la forme d’énergie cinétique: Wstock (en J) = ½ J² grande cyclabilité (Ncycl de 10000 à 100000) constante de temps allant de la minute à l’heure

Comparaison 3.6s 36s 6 min 1h 10h

Accumulateurs électrochimiques les plus connus, largement utilisés dans les applications portables: Nombreuses technologies disponibles (différents compromis performances – coût) Plomb-acide Nickel-Cadmium (NiCd) Nickel-Métal-Hydrures (NiMH) Lithium (nombreuses variantes) Sodium-soufre (haute température : 350°C) Na/NiCl2 (Zébra), Na/S, Li-Al/ FeS … Les valeurs d’énergie massique les plus élevées (30 à 200 Wh/kg) mais une faible tenue en cyclage (qq 100 à qq 1000 cycles)

Accumulateurs électrochimiques Principe Constituants; 2 électrodes Conducteurs ioniques et électroniques 1 électrolyte Conducteur ionique 1 séparateur Isolant électronique Mise en contact des électrodes par un circuit électrique extérieur Réactions d’oxydo-réductions simultanées et réversibles: recharge possible (oxydation = perte d’électron, réduction = gain d’électron )

pour Véhicules Electriques Types de Batteries pour Véhicules Electriques (*) valeurs pour packs Tension cellule Volts Densité d'énergie Wh/L Energie spécifique Wh/kg Puissance W/kg Cyclabilité Nb de cycles Acide ou Alcalines électrolyte aqueux conduction par ions H+ ou OH- PbO-Pb 2 - 1.9 60 - 120 25 - 35 80 - 20 300 - 500 Ni-Cd 1.3 - 1.1 80 - 110 40 - 55 100 - 30 > 1500 Ni-MH 150 - 250 55 - 80 200 - 50 700 - 1000 Li - ion Electrolyte non aqueux liquide ou gel-polymère (TM = Ni, Co, Mn ) Li(TM)O2 - C 4.2 - 3.0 200 - 250 120 - 160 300 - 200 800 - 1500 LiFePO4 - C 3.3 - 3.1 120 - 150 80 - 90 1500 - 2000 Li métal – Polymère (*) Electrolyte polymère fonctionne à 60_80 °C LiVOx - Li  3.5 - 2.5 100 – 110 100 - 110 150 (peak) 800-1000 ZEBRA (*) électrolyte solide: alumine ß au Na fonctionne à 250_350°C NiCl2 - Na  2.5 137 116 113 1000 - 1500

Batteries au plomb 2 V par élément Polluant mais recyclage réglementé Supporte mal les décharges profondes Charge en 2 temps ou en 3 temps avec charge d’entretien (floating)

Batteries Ni-Cd tension nominale d'un élément 1,2 V. effet mémoire stockage déchargé (0,6 V).

Batteries Ni-Cd tension nominale d'un élément 1,2 V. effet mémoire stockage déchargé (0,6 V). fin de charge caractérisée par dv/dt<0. (seuil détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge) cadmium est très polluant.

Batteries Ni-Cd tension nominale d'un élément 1,2 V. effet mémoire stockage déchargé (0,6 V). fin de charge caractérisée par dv/dt<0. (seuil détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge) cadmium est très polluant. nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et que les Ni-MH (durée de vie supérieure). couramment utilisés pendant plusieurs décennies pour les appareils portatifs. Réservé depuis 2006 aux usages industriels (applications aéronautiques, ferroviaires, stationnaires ).

Batteries Ni-Cd Charge normale à In/10 pendant 14 h Charge accélérée à In/5 en 6 à 7 h Charge rapide en 1 h Charge permanente à I/100

Batteries Ni-Mh Bon rapport qualité prix longévité remplace le Ni-Cd (énergie spécifique beaucoup plus importante )

Batteries Ni-Mh Bon rapport qualité prix longévité remplace le Ni-Cd (énergie spécifique beaucoup plus importante ) ne supporte pas la surcharge, chargeur automatiques beaucoup plus performants qu'avec le Ni-Cd. Détection de fin de charge difficile (Δv très faible)

Batteries Ni-Mh Bon rapport qualité prix longévité remplace le Ni-Cd (énergie spécifique beaucoup plus importante ) ne supporte pas la surcharge, chargeur automatiques beaucoup plus performants qu'avec le Ni-Cd. Détection de fin de charge difficile (Δv très faible) Temps de charge entre 1h et 5h pour que la détection de fin de charge se fasse correctement. Nouveaux accus rechargeables en 15 minutes (technologie IC3 In Cell Charge Control) Stockage chargé La batterie de prédilection des véhicules hybrides

Batteries Ni-Zinc Haute énergie spécifique ; Fortes puissances délivrées Aptitude aux régimes élevés de charge et décharge Fonctionnement sans maintenance Large gamme de températures de fonctionnement (de -20 °C à +60 °C) Résistance interne très faible

Batteries Ni-Zinc Haute énergie spécifique ; Fortes puissances délivrées Aptitude aux régimes élevés de charge et décharge Fonctionnement sans maintenance Large gamme de températures de fonctionnement (de -20 °C à +60 °C) Résistance interne très faible Grande sécurité de fonctionnement dans toutes les conditions d'emploi, gestion simple Pas de métaux lourds, pas de composés instables Recyclage aisé, économique et complet en fin de vie Coût modéré : le plus faible de tous des accumulateurs à l'exception de l'accumulateur au plomb autodécharge : 1% par jour en moyenne les 30 premiers jours

Batteries Ni-Zinc 65 à 80 Wh/kg et 120 à 140 Wh/dm3 Tension nominale : 1,65 V.

Batteries Ni-Zinc 65 à 80 Wh/kg et 120 à 140 Wh/dm3 Tension nominale : 1,65 Volt. Durée de vie en cyclage : > 1000 cycles au régime de C/5 (charge et décharge), avec 100% de profondeur de décharge > 1000 cycles au régime de C/3 (charge et décharge), avec 80% de profondeur de décharge Puissance : > 700 W/kg en versions énergie (types 30 à 50 Ah) 1200 W/kg en versions puissance (types 6 à 9 Ah) Charge floating possible.

Batteries Ni-Zinc 65 à 80 Wh/kg et 120 à 140 Wh/dm3 Tension nominale : 1,65 V. Durée de vie en cyclage : > 1000 cycles au régime de C/5 (charge et décharge), avec 100% de profondeur de décharge > 1000 cycles au régime de C/3 (charge et décharge), avec 80% de profondeur de décharge Puissance : > 700 W/kg en versions énergie (types 30 à 50 Ah) 1200 W/kg en versions puissance (types 6 à 9 Ah) Charge floating possible. Applications industrielles : sécurité et stockage (applications stationnaires) traction de véhicules électriques spéciaux et professionnels, et de véhicules électriques légers équipement de véhicules hybrides particuliers, utilitaires et militaires accompagnement-stockage des énergies renouvelables décentralisées Applications portables de puissance : outillage sans fil jouets

Batteries Li-ion 3,6 V ou 3,7 V (équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH permettant une Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique). système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium (risque d’explosion) haute densité d'énergie pour un poids très faible, ( systèmes embarqués. aucun effet mémoire

Batteries Li-ion 3,6 V ou 3,7 V (équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH permettant une Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique). système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium (risque d’explosion) haute densité d'énergie pour un poids très faible, ( systèmes embarqués. aucun effet mémoire Faible durée de vie ( 2 à 3 ans ) vieillissent moins vite en cycles partiels qu’avec des cycles complets de décharge/recharge. Les courants de charge et de décharge admissibles sont plus faibles qu'avec d'autres techniques. charge respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargées en dessous de 2,5 V par élément.

Batteries Li-ion Pour les plus anciens c'est 4,1V par élément. Pour les plus récents (la technique s'améliore) c'est 4,2V par élément. Dans les deux cas cette valeur de tension doit être très précise : c'est à +/- 0,05V par élément. Le courant de charge doit être limité entre C/2 et 1C.

Batteries Li-ion La charge se passe en deux étapes : - Première étape : le courant est limité entre C/2 et 1C. La tension augmente peu à peu jusqu'à atteindre son seuil de régulation. - Deuxième étape : La tension est régulée à 4,1 ou 4,2V par élément (en fonction de ce qu'indique le fabricant), le courant diminue de façon exponentielle jusqu'à se stabiliser à environ 3% de la capacité nominale (0,03C). C'est la pleine charge, Il faut absolument couper le courant de charge à partir de ce moment. La deuxième étape est la phase dite de remplissage. Attention la coupure à Ic < 0,03C est impérative, le Li-ion ne supporte absolument pas la surcharge. Un accumulateur au Li-ion ne doit pas chauffer au cours de sa charge.

Batteries Li-ion

Batteries Lithium-ion polymère Piles et batteries pouvant prendre des formes fines et variées (carte de crédit). Peut être déposée sur un support flexible. Faible poids (le Li-Po permet parfois d'éliminer la lourde enveloppe de métal). Plus sûrs que les Li-ion (plus résistants à la surcharge et aux fuites d'électrolytes). Densité énergétique plus faible que les Li-ion. Plus cher que le Li-ion. Charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation. Moins de cycles de vie. Batterie NEC ORB (organic radical battery)

Microbatterie Batteries Lithium Micro batteries sur silicium 100μAh/cm² Sous 2 à 2,5 V Étape de fabrication semi-industrielle

Microbatterie Batteries Lithium Micro batteries sur silicium 100μAh/cm² Sous 2 à 2,5 V Étape de fabrication semi-industrielle

D'une dimension d'une feuille A6 (105 mm ; 148 mm) et d'une épaisseur de 450 microns, sa capacité initiale est de 45 mAh. Réalisée sur un support souple avec les techniques de l'impression, cette batterie expérimentale n'est épaisse que d'un demi-millimètre.

Microbatterie Batteries Lithium

Microbatterie Batteries Lithium

Super Charge Ion Battery développé par Toshiba en 2005 (production 2009) Durée de vie : 10 ans Nb de cycles de charge/décharge : 6 000 (soit 10 fois plus que pour les batteries « standards ») Vitesse de rechargement : 9 fois plus vite qu'une batterie lithium-ion (c'est son atout principal) Plus de sécurité que les batteries lithium-ion

Super Charge Ion Battery développé par Toshiba en 2005 (production 2009) Durée de vie : 10 ans Nb de cycles de charge/décharge : 6 000 (soit 10 fois plus que pour les batteries « standards ») Vitesse de rechargement : 9 fois plus vite qu'une batterie lithium-ion (c'est son atout principal) Plus de sécurité que les batteries lithium-ion Moins de difficultés à contrôler électroniquement (charge, maintien en charge, capacité à débiter du courant) 3 fois moins de capacité à poids égal qu'une batterie lithium-ion Stabilité thermique (chauffe peu) Structure interne résistante aux courts-circuits Faibles risques de combustion/rupture

Super Charge Ion Battery développé par Toshiba en 2005 (production 2009) Durée de vie : 10 ans Nb de cycles de charge/décharge : 6 000 (soit 10 fois plus que pour les batteries « standards ») Vitesse de rechargement : 9 fois plus vite qu'une batterie lithium-ion (c'est son atout principal) Plus de sécurité que les batteries lithium-ion Moins de difficultés à contrôler électroniquement (charge, maintien en charge, capacité à débiter du courant) 3 fois moins de capacité à poids égal qu'une batterie lithium-ion Stabilité thermique (chauffe peu) Structure interne résistante aux courts-circuits Faibles risques de combustion/rupture 10% de perte de capacité obtenus au bout de 3000 cycles décharge/Charge rapide. Charge très rapide (90% atteints en 5-10min) Plage de température de fonctionnement de -40°C à 60°C Tension d'une cellule SCiB : 2,4V Densité énergétique env. 50Wh/kg Densité de puissance : env. 3 kW/kg Usage de produits polluants réduits

Problème de ressource en Lithium

Comparaison des performances Diagramme de Ragone des batteries

évolution

L’Effet Peukert la capacité disponible d'une batterie varie en fonction de la rapidité avec laquelle elle se décharge. Une batterie fournit l'énergie qu'elle a stockée avec une certaine efficacité. Cette efficacité est altérée lorsque le courant débité augmente. C’est ce qu’on appelle l’effet « Peukert », qui montre que la capacité Q d’une batterie dépend du courant débité. Formule de Peukert : Q = In *T (avec n constante propre à la batterie et égale à 1,2 ou 2 ou 3… en fonction de l’intensité du courant I. Stockage Lors d’une non utilisation, il faut stocker les accumulateurs chargés (sauf pour les Ni-Cd) afin d’éviter la dégradation dans le temps des composés chimiques internes.

Super-condensateurs adaptés à des charges/décharges rapides La tension varie avec l’état énergétique Nécessité d’un convertisseur d’adaptation : Pour une exploitation de 90% de l’énergie maximale stockée : La tension doit varier dans des proportions de 1 à 3 Alors pour exploiter Pmax : Nécessité d’un surdimensionnement du convertisseur électronique d’un facteur 3. Source : Maxwell

Super-condensateurs

Super-condensateurs

Inductances supraconductrices (SMES) : 760 mm 600 mm ACCEL Instruments GmbH www.accel.de 2 MJ (0,5 kWh) – 200 kW (τ = 10 s) Supra LTC NbTi – 4,5 K Applications actuelles : faibles constantes de temps, comme les super-condensateurs

Batteries à circulation (Redox flow batteries) composés chimiques, de stockage de l’énergie, liquides en solution dans l’électrolyte. Technologies : ZnBr (Zinc-brome) NaBr (Sodium-brome) VBr (Vanadium-brome) (VRB : vanadium redox battery) Polysulfide Bromide battery (PSB) Energie volumique : 10 à 30 kWh/m3 Rendement : 70 % à 90% Capacité : 1 à qq 100 MWh Puissance : 1 à 10 MW quelques heures (4 à 8h)

Les Piles à combustible Sony développe une mini pile à combustible capable de fonctionner 14 heures non stop Une puce de silicium (5 mm x 3,6 mm) comprenant des microcanaux pour faire circuler du méthanol dans la micropile. Taille: 3mmx3mmx1mm V=0.7V, I=0.1mA pendant 30h P=1,3W/cm2

Les Piles à combustible De200mW à plusieurs dizaines de kW

Les Piles à combustible

Les Piles à combustible http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/fr/jeunes/animation/aLaLoupe/Pile/pile.htm

Les Piles à combustible

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Micropiles à combustible

BIC se lance dans les piles à combustible (hydrogène) portables (2011)

Horizon Fuel Cell Technologies a développé et mis sur le marché fin 2011 la première pile à combustible performante (1 pile = 10 piles AA alcalines traditionnelles). Si elle ne sert pas à alimenter directement un lecteur mp3 ou un téléphone portable, elle sert en revanche à recharger les batteries de nos petits appareils. – http://ecologiedemarche.com/une-pile-a-combustible-vraiment-performante/

Des chercheurs de l'Université Harvard ont réussi à développer une micropile avec des technologies de couches minces comparables à celles utilisées pour la fabrication des circuits intégrés. Une pile à combustible à oxyde solide (SOFC pour Solid Oxyde Fuel Cell) de 5 mm de côté. Ils l’ont obtenu en utilisant des procédés de fabrication par couches minces similaires à ceux servant dans la production des puces électroniques

Les volants d’inertie

Les volants d’inertie

Les volants d’inertie

Les volants d’inertie