Sources d'énergie et de puissance

Au paragraphe consacré aux rendements, nous avons constaté l'impact des pertes, elles- mêmes directement liées à la puissance sollicitée, sur l'énergie disponible, ce qui introduit un couplage fort entre ces deux aspects fondamentaux qu'il s'agit de formaliser pour une exploitation dans la conception des systèmes. En effet, les différents composants de production et de stockage d'énergie électrique présentent à cet égard des propriétés et des comportements très différents qui les rendent plus ou moins aptes à délivrer une puissance électrique plus ou moins grande sur un horizon de temps plus ou moins long. Ces notions étant relatives aux missions assignées, nous définissons les notions de sources d'énergie et de puissance.

Nous désignons comme source d’énergie électrique , une source pouvant délivrer une puissance électrique donnée sur une durée du même ordre de grandeur que celle de la (les) mission(s) typique(s) que doit accomplir le système.

Nous désignons par source de puissance électrique , une source pouvant délivrer une

Stockage idéal À Tension pilotée

puissance électrique donnée sur une durée de temps courte devant celle de la (les) mission(s) typique(s) du système. Il s'agira aussi d'une durée typique de la mission ou du système, par exemple une constante de temps mécanique.

Ces deux notions sont intimement liées et ne prennent de sens que présentées simultanément et comparativement.

Afin de les concrétiser, prenons l’exemple du véhicule solaire dont nous présentons une étude au chapitre V de ce document. Deux sources électriques sont présentes à bord : un générateur photovoltaïque et une batterie de stockage. Seul le générateur photovoltaïque fournit l'énergie utile au véhicule, utilisée pour propulser le véhicule et/ou recharger les batteries.

En effet, dans les cas où le soleil est caché par des nuages, c'est la batterie qui est utilisée comme source d'énergie d'appoint assurant l'autonomie. C'est une source d'énergie.

Sur une mission d'une journée entière, le générateur est utilisé comme source d’énergie, mais sa puissance dépend de l'ensoleillement. Aussi, par temps ensoleillé la batterie peut apporter par exemple, un surplus de puissance (couple) nécessaire pour franchir une côte. C'est alors une source de puissance.

Dans cette application, la capacité énergétique de la batterie correspond à environ la moitié de l'énergie récupérée en une journée. Les batteries ne peuvent pas fournir l’énergie nécessaire au véhicule sur une journée entière, car cela impliquerait une énergie embarquée trop importante et donc une masse pénalisante.

Par contre, pour une mission d’une heure, les batteries contiennent assez d’énergie pour fournir seules, la puissance tout au long de la mission.

La Figure III-5 représente le profil de puissance du générateur photovoltaïque. Si l’on souhaite consommer une puissance constante au cours de la journée, la batterie doit fournir de la puissance le matin et le soir, lorsque le soleil est bas sur l'horizon. On les recharge en milieu de journée. La batterie joue donc ici un rôle de filtrage de la puissance en découplant la consommation de la production, rôle fondamental d'un stockage dans un système.

La différence entre source d’énergie et source de puissance est donc intimement liée à la durée de la mission et à la durée des perturbations de celles-ci, c’est-à-dire à la durée des surplus de puissance. Mais elle est à mettre en regard des aptitudes intrinsèques de composants qui peuvent être limitées soit pour les courtes durées, soit pour les longues durées. Ainsi, lorsque, comme bien souvent, une seule batterie alimente le système, celle-ci sera dimensionnée en fonction de l’énergie (autonomie) ou en fonction de la puissance suivant le profil de la mission. Des architectures hybridées permettent de découpler ces deux aspects.

Heure de la journée Puissance solaire en W Puissance moyenne consommée Décharge des batteries Recharge des batteries

Figure III-5 : Puissance solaire produite sur une journée de course comparée à la puissance moyenne consommée

Ainsi, un autre exemple classique est celui de l'association hybride de batteries d'accumulateurs et supercondensateurs pour la propulsion des véhicules électriques urbains dans lesquels, c'est le supercondensateur (source de puissance) qui permet de filtrer la puissance prélevée à la batterie (source d'énergie) lors des accélérations et des freinages [CHAPOULIE].

La source d’énergie peut donc être vue comme le générateur électrique principal typiquement dimensionné pour délivrer une puissance de valeur égale à celle de la puissance moyenne nécessaire pour accomplir la (les) mission(s) typique(s) du système. Parmi les sources d’énergie, nous pouvons citer : la pile à combustible associée à son combustible (hydrogène) et son comburant (oxygène), le groupe électrogène tournant et son réservoir, le générateur solaire associé à l’énergie solaire, le générateur éolien associé à l’énergie des vents (énergie solaire), l’accumulateur (acide-plomb, Lithium-Ions...)...

La source de puissance peut être vue comme un générateur électrique secondaire. Un premier corollaire de sa définition est son caractère généralement rechargeable en cours de mission à partir de la source d'énergie pour qu’elle puisse être utilisable ponctuellement tout au long d’une mission sans être surdimensionnée. Il s’agit par conséquent en général d’un élément de stockage réversible en puissance tel un accumulateur, un supercondensateur, ou un volant d’inertie... Un deuxième corollaire de cette définition est le reconditionnement nécessaire de son énergie en cours ou en fin de mission, ce qui pose un problème de

planification ou d’anticipation avec la prise en compte des pertes variables avec la mission. Les travaux de P. Chapoulie [CHAPOULIE] ont montré que la formulation en terme de filtrage résout ce problème en assurant le reconditionnement naturel de la source de puissance sur l'horizon de temps défini par le filtre.

On est alors conduit à introduire un taux d’hybridation délicat à définir car fortement lié à la (aux) mission(s) typique(s) du système à accomplir. Il est en effet fonction des impacts à fournir en terme d’amplitude (puissances) et de durée des événements (énergie) occasionnels, répétitifs… au cours de ces missions.

Des objectifs généraux de l’hybridation peuvent être tout de même recensés :

ü lisser la puissance délivrée par la source d’énergie. Par exemple, l’absorption des pics aléatoires de puissances positives ou négatives générés par la charge (phases d’accélération ou de freinage de véhicules électriques…). Autrement dit, il s’agit ici d’être capable, d’une manière générale, de délivrer ponctuellement des puissances supérieures à la puissance moyenne du générateur électrique ou de récupérer de l’énergie pour recharger la source de puissance.

ü Palier pendant une durée limitée une indisponibilité partielle ou totale de la source d’énergie. Par exemple, pendant le démarrage d’une pile à combustible, ou lorsque le soleil est masqué par des nuages devant le générateur photovoltaïque ou en l'absence de vent.

La théorie de Ragone permet de formaliser particulièrement ces différents aspects.