Choix du moyen de stockage

Ce paragraphe présente les différents moyens de stockage qu’il est possible d’associer avec la RAT. Les hybridations proposées concernent toujours un unique système de stockage associé à la RAT.

Les moyens de stockage proposés ici sont les batteries d’accumulateurs, les supercondensateurs et les roues à inertie. Chaque source de stockage est analysée et critiquée avant de proposer un choix pour la suite des études.

III.2.1 Hybridation RAT – batterie d’accumulateurs

Ce premier moyen de stockage étudié se justifie pour une raison simple : entre deux et quatre batteries sont actuellement embarquées sur les avions Airbus. Comme présenté en paragraphe I.2, ces batteries sont déjà utilisées en dernier secours. Cependant, il serait intéressant de coupler leur fonction actuelle en dernier secours et la fonction de source de puissance en hybridation de la RAT.

Dans un premier temps, le dimensionnement du système de stockage est donc très simple, puisqu’il s’agit d’utiliser une des batteries actuellement présentes sur avion. Prenons par exemple une batterie possédant une capacité de 50 Ah, sous une tension nominale de 24 V.

Le besoin en puissance est la fourniture des variations de puissances absorbées sur le réseau, et a donc une valeur d’approximativement 25 kW en pointe (cf. Figure III.1). Sous une tension de 24 V, le courant maximal qui sera fourni par la batterie sera supérieur à 1 000 A, soit supérieur à 20 fois la capacité d’une batterie de 50 Ah23_{. Ce}

courant très élevé pourrait néanmoins être acceptable dans la mesure où il apparaît très ponctuellement pendant de courtes durées. De plus, un tel courant est parfois demandé à la batterie actuellement utilisée pour les démarrages du groupe APU.

Une étude poussée concernant l’utilisations de ces batteries a été menée [RC°7]. Un modèle simple de batterie a été employé, constitué d’une source de tension en série avec une résistance [JR03]. Cette modélisation est valable dans le cas d’une batterie Li- Ion. Cette technologie à été introduite plutôt que les batteries Ni-Cd actuellement utilisées car elles seront probablement généralisées dans le futur.

Batteries d’accumulateurs : une analyse non-concluante pour le secours électrique En théorie, l’utilisation des batteries « avion » actuelles comme source de puissance fonctionne correctement. Avec l’association de deux de ces batteries, les performances sont conformes aux attentes ; la RAT peut être dimensionnée à la baisse. Par contre, une seule batterie ne permet pas d’obtenir un tel résultat, car la puissance qu’elle peut fournir est inférieure à 14 kW, au lieu des 25 kW nécessaires.

Sur notre architecture de référence (cf. § I.2.2), cela signifie qu’il faudrait utiliser la batterie 2 (actuellement non-utilisée en secours) et la batterie APU. De cette manière,

23 _{Les fabricants de batteries ont pour usage de donner les courbes de décharge en fonction du courant libéré (en A)}

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les batteries 1 et ESS resteraient exclusivement dédiées aux autres systèmes électriques DC, lesquels nécessitent une tension stable. Or, la batterie APU est située à l’arrière de l’avion, ce qui rend impossible son utilisation pour le stockage à cause des longueurs de câbles (cf. Figure II.4). Deux possibilités sont offertes :

• l’ajout d’une batterie supplémentaire dédiée au stockage, en pointe avant, à côté des batteries 1, 2 et ESS ;

• le déplacement de la batterie APU à l’avant de l’avion, ce qui nécessite de revoir le démarrage APU, en utilisant le réseau secours par exemple (cf. § IV.6.2).

Quoi qu’il en soit, l’utilisation des batteries actuelles introduit un fort écart de tension entre le bus DC (270 V) et les batteries (24 V). En l’absence d’utilisation de batteries haute tension (supérieure à une centaine de volts) le convertisseur DC-DC utilisé devrait être complexifié en pratique à cause du fort écart entre les niveaux de tension rencontrés. Un simple hacheur à une seule cellule de commutation serait mal adapté dans ce cas. La masse du convertisseur serait donc importante.

Ce point va donc en défaveur de l’utilisation des batteries actuelles dans le système de stockage. Malheureusement, l’utilisation de batteries plus adaptées à notre application n’offre pas non-plus de finalité très intéressante en terme de masse. L’inconvénient des batteries pour notre application est leur faible puissance massique. De plus, il n’est pas raisonnable de charger des batteries avec des courants supérieurs à plusieurs fois leur capacité, qu’il s’agisse de batteries Li-Ion ou d’autres technologies, et ce malgré leur fabrication privilégiant une forte puissance massique. D’une manière générale, les batteries sont avantageuses dans les applications nécessitant une forte énergie massique. L’utilisation de supercondensateurs, moins performants en terme d’énergie, mais davantage en terme de puissance, semble mieux appropriée pour la mission de secours, pour laquelle les appels de puissance sont brefs (quelques secondes).

III.2.2 Hybridation RAT – supercondensateur

Les supercondensateurs sont des composants de nature très basse tension, au même titre que les autres convertisseurs d’énergie électrochimiques. Cependant, leur mise en série est facilement envisageable moyennant un système d’équilibrage des éléments. Certains fabricants proposent même des modules de plusieurs dizaines de volts, qu’il est encore possible d’associer en série pour accroître la tension de service.

Les supercondensateurs peuvent donc être exploités en haute tension, proche de la tension du réseau continu 270 V. Cela est particulièrement intéressant, car l’emploi d’un convertisseur statique simple, de type « buck/boost » à une seule cellule de commutation, est envisageable pour interfacer les supercondensateurs au réseau. Grâce à cette structure simple du convertisseur, une masse relativement faible est attendue.

Le dimensionnement de la supercapacité pour la présente application ne semble pas contraignant. La masse et le volume engendrés sont relativement faibles.

Plusieurs essais en simulations ont montré un fort potentiel de cette technologie d’éléments de stockage. Il faut cependant veiller à ce que la tension du supercondensateur ne chute pas excessivement afin de garantir le bon fonctionnement du système. En effet, l’énergie contenue dans la supercapacité est plus faible que dans une batterie, ce qui lui confère une aptitude à se décharger assez rapidement. C’est pourquoi la tension du supercondensateur doit impérativement être contrôlée.

Supercondensateurs : un bilan intéressant

Comme pressenti initialement, les supercondensateurs sont bien adaptés pour cette application de stockage. Les échelles de temps de variation des puissances sont trop courtes pour que les batteries d’accumulateurs soient avantageuses. La masse du système de stockage avec supercondensateurs est inférieure à celle d’un système équivalent avec batteries d’accumulateurs. La fréquence des cyclages est également mieux appréciée par les supercondensateurs, améliorant la durée de vie des éléments de stockage.

III.2.3 Hybridation RAT – roue à inertie

Les roues à inerties sont souvent proposées dans des structures les associant à des réseaux électriques. Il est parfaitement envisageable de les utiliser dans le cadre d’une hybridation avec la RAT.

Généralement, ces roues sont couplées à des machines synchrones, et raccordées à un réseau par l’intermédiaire d’un ensemble redresseur-onduleur [LL04]. Elles sont particulièrement intéressantes dans des applications de forte puissance. Leur aptitude à fournir des puissances rapidement variables les rendent attrayantes pour des applications de qualité réseau.

Roue à inertie : un système prometteur ?

L’étude d’hybridation de la RAT avec une roue à inertie n’a pas été réalisée en détail. Cependant, ses caractéristiques lui permettent de prétendre à un fonctionnement et une masse proches de ceux des supercondensateurs (cf. plan de RAGONE Figure I.8). Solution alternative : stockage inertiel RAT

Un autre moyen permettrait le stockage d’énergie cinétique. La turbine de la RAT possède déjà une inertie assez élevée grâce à ses dimensions conséquentes. Sa vitesse de rotation étant également élevée (quelques milliers de tr/min), l’énergie stockée dans la turbine n’est pas négligeable. L’augmentation volontaire de l’inertie de la turbine pourrait s’avérer intéressante en terme de stockage d’énergie.

Une étude de l’influence de l’inertie de la RAT sur son dimensionnement a été menée. Dans le cadre d’une mission de vol, plusieurs valeurs d’inertie ont été « testées », et ce pour deux dimensionnements différents de la RAT. L’observation de l’angle de calage des pales ϑ est intéressante, car elle est liée à la vitesse de rotation de la turbine. De plus, quel que soit le dimensionnement de la RAT, la plage de variation de cet angle est fixe, comme convenu lors des hypothèses du redimensionnement au paragraphe II.7.

La Figure III.4 montre l’allure de l’angle ϑ pour trois valeurs d’inertie. La première valeur correspond à l’inertie réelle de la RAT. La seconde et la troisième valeur correspondent respectivement à deux fois et trois fois l’inertie réelle. Le résultat est parlant : plus l’inertie est élevée, moins l’angle varie. Rappelons que ces variations correspondent à des variations de charges d’origine électrique. La Figure III.5 montre le même phénomène pour un dimensionnement de la RAT 5 kW inférieur au précédent. On constate sur ces graphiques qu’en doublant l’inertie et en diminuant la puissance dimensionnante de 5 kW, l’angle atteint des valeurs un peu plus faibles. Cela signifie

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que, sur un profil de mission possédant ces dynamiques, le gain en dimensionnement obtenu par le doublement de l’inertie est inférieur à 5 kW, soit seulement 5 à 10 % de la puissance dimensionnante.

Figure III.4 : Influence de l’inertie de la RAT

pour un dimensionnement à 45 kW. Figure III.5 : Influence de l’inertie de la RAT pour un dimensionnement à 40 kW. Le gain en dimensionnement n’est pas spectaculaire, mais est intéressant dans la mesure où le doublement de l’inertie de la turbine peut être obtenu en ajoutant une très faible masse. En effet, il suffit de disposer une masse de l’ordre du kilogramme en bout des deux pales.

Il paraît donc peu coûteux en terme de masse d’augmenter la valeur de l’inertie d’un rapport deux. Par contre, les caractéristiques aérodynamiques de la turbine ne doivent pas être dégradées. La faisabilité mécanique et aérodynamique d’un tel ajout de masse reste à confirmer.

III.2.4 Choix du moyen de stockage : le supercondensateur, un bon

compromis

Le Tableau III.3 ci-dessous récapitule très brièvement les points forts et les inconvénients de chaque moyen de stockage dans le cadre de la mission dimensionnante retenue.

Tableau III.3 : Synthèse comparative des moyens de stockage dans le cadre de la mission de vol. Moyen de stockage Avantages Inconvénients

Batterie d’accumulateurs Système connu, forte énergie stockée

Faible aptitude pour les puissances élevées Supercondensateur Relativement mature, forte

puissance massique Faible énergie stockée Roue à inertie Puissance massique importante Peu connue

Inertie RAT Simple et efficace Stockage très limité Compte tenu des éléments mentionnés auparavant, les supercondensateurs ont été retenus pour réaliser une étude approfondie de l’hybridation de la RAT avec un moyen de stockage. Le profil de mission très fluctuant ayant une dynamique élevée, les supercondensateurs semblent constituer la source de puissance la mieux adaptée dans le but de réduire la puissance dimensionnante de la RAT.

III.3 Méthode de dimensionnement d’un supercondensateur