2.1.2
Généralités
2.1.2.1
Les supercondensateurs ont vu leur développement vers les années 70 par des entreprises japonaises pour des applications d’électronique du signal. Puis vers les années 80, ce sont les États-Unis et les européens qui ont repris le concept et ce pour des applications dans l’électronique de puissance et des recherches militaires. Depuis quelques années, les supercondensateurs ont trouvé leur application dans le civil surtout avec la mise sur le marché des dispositifs de fortes puissances[AYAO4] [PAI10].
Définition 2.1.2.2
Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie capable de fournir des salves de très haute puissance avec des temps de rechargement très rapides [MAH10]. Ils sont utilisés dans PHEBUS pour fournir suffisamment de puissance aux moteurs-roues lors des phases d’accélération et pour récupérer l’énergie cinétique lors du freinage du véhicule pour la stocker. Il ne peut pas stocker autant d’énergie par unité de masse qu’une batterie mais il la délivre beaucoup plus vite. On parle ainsi improprement de source de puissance.
Composants énergétiques et dimensionnement des supercondensateurs
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Principe de fonctionnement 2.1.2.3
Plusieurs technologies sont en développement. Celles directement concernées par les applications de stockage d’énergie dans le domaine de la puissance utilisent un électrolyte organique limitant la tension élémentaire à 3 V et des électrodes non polarisées de haute surface spécifique. Il ne s’agit donc pas d’étendre la gamme de condensateurs électrolytiques mais bien de satisfaire des besoins de stockage et de restitution d’énergie sur de courtes durées. Les capacités unitaires sont de l’ordre de la centaine voire du millier de farads à comparer avec le micro ou le millifarad pour les condensateurs électrolytiques. Les durées de charge ou décharge sont généralement de l’ordre de la seconde à comparer avec la micro ou milliseconde pour les condensateurs et la minute ou l’heure pour les batteries.
Le principe de base de la technologie du supercondensateur repose sur la théorie de la double couche d’Helmholtz [BEL01] qui décrit l’accumulation de charges électriques à l’interface entre un conducteur ionique (électrolyte) et un conducteur électronique de haute surface spécifique (électrode).
Le condensateur ainsi créé se caractérise par une capacité de valeur très élevée, résultant d’une surface d’interface très élevée et d’une épaisseur d’extension de la double couche très faible.
C = .!
" (2.1)
Figure 2.5 : Condensateur plan.
Les principales solutions en cours d’industrialisation sont à base de charbon actif de haute surface spécifique sous forme de poudre ou de tissu. Les technologies à base de poudre sont les plus économiques. Le procédé courant de mise en œuvre de ces poudres est l’enduction (dépôt de charbon actif sur un collecteur de courant par l’utilisation d’un solvant). Le procédé d’extrusion – solution alternative en développement – permet de réaliser en continu des électrodes auto supportées sans utiliser de solvants.
Ainsi, la fabrication d’un élément unitaire de tension inférieure à 3 volts consiste à :
· bobiner ou empiler des couches de complexe collecteur de courant/ électrode/séparateur ;
· intégrer une connectique adaptée aux courants forts ; · imprégner d’électrolyte et réaliser un packaging étanche.
La densité d’énergie d’un élément de supercondensateur tel que décrit plus haut atteint plusieurs Wh/kg, ce qui est considérable par rapport aux condensateurs, mais faible par rapport aux batteries.
La densité de puissance de plusieurs kW/kg est limitée par la tension d’utilisation de l’électrolyte et la résistance série du composant, combinaison de différentes résistances ioniques et électroniques. Elle est donc beaucoup plus faible que celle des condensateurs, mais beaucoup plus élevée que celle des batteries.
S’agissant d’une technologie mettant en œuvre des phénomènes électrochimiques sans modification physique des électrodes (pas de réaction d’oxydo-réduction), le nombre maximal de cycles de charge–décharge, lié aux processus de vieillissement, est aussi un compromis entre les condensateurs et les batteries. On l’estime à plusieurs centaines de milliers de cycles.
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Applications 2.1.2.4
Les principaux atouts du supercondensateur par rapport aux autres solutions de stockage d’énergie sont sa puissance massique élevée, qui autorise des cycles de charge et décharge à courant fort (centaine d’ampères), une durée de vie très élevée (centaine de milliers de cycles) et une relative stabilité de ses caractéristiques en température par rapport aux batteries.
Ainsi, on peut estimer que le domaine d’intérêt privilégié des supercondensateurs regroupe des applications exigeant :
· Une puissance spécifique de charge et/ou décharge élevée (> 2 kW/kg) ; · Un courant de charge et/ou de décharge élevé (> 100 A) ;
· Une faible durée de décharge (1 à 20 s) ; · Un nombre de cycles élevé (> 10 000 cycles) ;
· Un fonctionnement sur une gamme de température étendue (– 30 à + 60 °C).
Plusieurs applications existantes entrent dans ce cadre, optimisation du dimensionnement des réseaux de distribution de l’énergie électrique, amélioration de la qualité de la tension réseau, augmentation du rendement énergétique des systèmes embarqués et développement de modes de transport urbains répondant aux contraintes environnementales.
ü Dans les alimentations sans interruption (ASI)
La croissance du marché des alimentations sans interruption depuis des années répond aux attentes concernant la qualité de la tension, contrainte majeure des industries à process continu à base d’électronique et d’automatismes et des réseaux de télécommunication. La grande majorité des besoins de protection contre les microcoupures appelle des autonomies de quelques secondes. Pour les gros systèmes d’ASI fournissant des puissances de plusieurs centaines de kilowatts sous 400 volts, les batteries actuellement utilisées sont dimensionnées sur la puissance et non sur l’énergie. En conséquence, les autonomies réelles excèdent largement le besoin ; les batteries constituent un nœud de fiabilité du système et imposent des coûts de maintenance élevés, et leur volume est considérable. Dans la plupart des sites concernés, la réduction de la surface au sol et des coûts de maintenance sont des valeurs de marché fondamentales. L’utilisation de supercondensateurs présente les intérêts suivants :
· Eviter un surdimensionnement en énergie et réduire drastiquement le volume ; · Réduire les coûts de maintenance et augmenter la durée de vie des composants ; · Réduire la sensibilité des composants à la température.
ü Dans les transports urbains collectifs
La poursuite du développement du transport urbain collectif constatée depuis une dizaine d’années dans un certain nombre de grandes villes européennes appelle des solutions nouvelles répondant à plusieurs objectifs :
· La réduction du coût des infrastructures ;
· Une meilleure intégration dans l’environnement urbain ; · Une réduction de la pollution.
De nombreux projets de tramway, tram-train ou bus électrique sont en cours de développement ou de test. L’émergence des supercondensateurs permet d’envisager des solutions répondant à ces exigences. En particulier, on peut citer l’exemple d’un tramway sans caténaire fonctionnant entre deux stations sur l’énergie de supercondensateurs embarqués, renvoyant l’énergie du freinage dans les supercondensateurs et utilisant la période en station pour recharger les supercondensateurs (de l’ordre de 10 secondes) ; ces stations connectées au réseau, intègrent des supercondensateurs pour fournir la puissance nécessaire pendant la charge.
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Les exigences de durée de charge, de puissance de charge, de récupération d’énergie, de nombre de cycles et de bon fonctionnement sur une gamme de température étendue rendent le concept irréaliste avec des solutions traditionnelles de batteries.
ü Dans l’automobile
La montée en puissance de l’électronique dans l’automobile remet en cause les architectures classiques de réseau de bord et l’utilisation de la technologie de batterie au plomb pour le stockage de l’énergie. Le passage à un réseau 42 V pourrait répondre à l’augmentation des appels de puissance en maîtrisant les volumes de câbles requis. De nombreuses fonctions nouvelles sont en développement pour répondre principalement aux objectifs de confort et de réduction de consommation. Ainsi on peut citer la récupération d’énergie au freinage, le “stop & go”, la direction assistée électrique, les soupapes électromagnétiques, la suspension active…
Jusqu’à présent le besoin de puissance était réduit au démarrage, fonction qui limitait à elle seule la durée de vie de la batterie. Les nouvelles fonctions envisagées exigent des puissances de quelques centaines à quelques milliers de watts et il est nécessaire de ne pas réduire la durée de vie de la batterie.
Le supercondensateur constitue une solution envisagée pour fournir les appels de puissance, récupérer l’énergie au freinage et soulager la batterie, tout en répondant aux exigences de températures extrêmes.
Conclusion 2.1.2.5
L’émergence des supercondensateurs de puissance ouvre la voie à de nouveaux concepts d’applications et de produits. Ces applications répondent principalement à des attentes en terme d’amélioration de la qualité de la tension, d’optimisation du rendement énergétique, de développement de modes de transport moins polluants et s’intégrant dans l’environnement urbain. Seule l’économie viendra démontrer l’intérêt de cette solution techniquement attrayante. Les efforts d’industrialisation en cours et les investissements annoncés pour créer des capacités de production montrent que la technologie sort du domaine de la recherche et va contribuer à la création de nouveaux marchés de volume, même si les perspectives techniques sont encore très prometteuses.
Dans le cadre du projet PHEBUS, l’usage des supercondensateurs est destiné à limiter les pics de puissance positifs et négatifs liés au démarrage et aux freinages récupératifs.
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