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Stocker l énergie. Voyage dans la chaine d énergie

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Academic year: 2022

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Stocker l’énergie

Voyage dans la chaine d’énergie

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stocker l'énergie

La chaine d’énergie

Acquérir

Agir La chaine d’information

La chaine d’énergie

Traiter

Distribuer Convertir Transmettre

Alimenter

Communiquer

ordres

Etat initial Retour d’informations

Energie

Puissance Energie

Puissance

Energie Puissance

Energie Puissance Informations

Pour l’utilisateur

ergie alement

Informations extérieures

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Pourquoi stocker de l’énergie ?

Le stockage de l’énergie est utilisé pour répondre à trois besoins principaux :

-Le besoin de se déplacer avec sa propre source d’énergie, c’est le besoin d’autonomie.

-Le besoin de compenser le décalage temporel entre la demande en énergie et la possibilité de production.

-Le besoin de compenser les fluctuations d’intensité du courant délivré sur le réseau électrique, par exemple dans le cas des éoliennes.

stocker l'énergie

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Le stockage électrochimique d’énergie électrique

L’électricité ne peut pas être stockée directement. Il est donc indispensable de

convertir l’énergie sous d’autres formes afin de la stocker. L’utilisation de batteries permet de stocker l’énergie électrique sous forme électrochimique.

Les 3 grandeurs principales qui caractérisent les batteries sont :

-La tension ou différence de potentiel aux bornes de la batterie. Elle s’exprime en volts (V).

-La capacité de la batterie représente la quantité de charges électriques qu’elle peut stocker. Elle s’exprime en Coulombs (C) ou en Ampère-heure (Ah). *

1Ah = 3600C.

La capacité est souvent rapportée à la masse (capacité massique) ou au volume (capacité volumique).

-La densité énergétique de la batterie est la quantité d’énergie stockée par unité

de masse ou de volume. Elle s’exprime en Wh/kg ou en Wh/L. stocker l'énergie

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Comparaison des différentes technologies utilisées dans les batteries.

Type de batterie Densité (Wh/kg)

Plage de

puissance Rendement Utilisations

Plomb 50 100W à 10MW 70 à 85% Véhicules routiers, véhicules électriques, site isolé non raccordé au

réseau.

NiCd

Nickel-Cadmium 50 Quelques Watts 70 à 80% Outillage portatif, rasoirs électriques

NiMH

Nickel Métal Hydrure 75 Quelques Watts 70 à 80% Téléphones portables, appareils photo, rasoirs électriques

Li-ion

Lithium-ion 300 100W à 10MW 85 à 90% Téléphones portables, véhicules électriques, appareils photo, ordinateurs portables

Li-Pol

Lithium-Polymère 120 100W à 10MW 85 à 90% Véhicules électriques légers, téléphones portables

Na-S

Sodium-Soufre 100 à 120 50kW à 10MW 85 à 90% Stockage d’énergie intégré à un système de production d’électricité

stocker l'énergie

D’après vous quel type de batterie est utilisé sur les systèmes suivants

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Capacité d’une association de batteries

La capacité représente la quantité de charges électriques stockées dans la batterie,

mais pas la quantité d'énergie. Pour connaître cette quantité d'énergie (qui s'exprime en Watt-heure (Wh)), il faut multiplier la capacité par la tension de la batterie : Ah x V = Wh.

Il est important de ne pas confondre quantité de courant et quantité d'énergie. Par

exemple, si on branche deux batteries 12V 100Ah en série on obtient l'équivalent d'une batterie de ... 100Ah, alors que la quantité d'énergie a doublé.

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Synthèse

La capacité Q (ou quantité d’électricité) est le produit de l'intensité I du courant (en ampère) par le temps t.

Si t est en secondes, Q est en Coulombs (C) Si t est en heures, Q est en ampère-heure (Ah) 1 Ah = 3600 C

Q = I x t

La puissance consommée P (en W) est égale au produit de la tension U

(en V) de la batterie par le courant I (en A) qu’elle délivre P = U * I

L’énergie E est égale au produit de la puissance P (en W) absorbée par le temps de fonctionnement t.

Si t est en secondes, E est en Joules (J) Si t est en heures, E est en Watt-heure (Wh)

E = P * t E = U * Q

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Condensateur

Le condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») séparées par un isolant (« diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F).

Le condensateur est utilisé principalement pour :

stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;

traiter des signaux périodiques (filtrage…) ;

séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;

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Supercondensateur

Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.

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Composés de plusieurs cellules montées en série-parallèle, ils permettent une tension et un courant de sortie élevés (densité de puissance de l'ordre de plusieurs kW/kg) et stockent une quantité d'énergie intermédiaire entre les deux modes de stockage cités ci-dessus, et peuvent la restituer plus rapidement qu'une batterie. Ils sont donc souvent utilisés comme élément de stockage d’appoint d'énergie, en complément à des batteries ou à une pile à combustible. Ils présentent notamment l'intérêt d'être efficaces par très faible température

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Le stockage électrostatique d’énergie électrique

L’utilisation de condensateurs ou de supercondensateurs permettent de stocker l’énergie électrique sous forme électrostatique.

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La capacité électrique d’un condensateur ou d’un supercondensateur est déterminée essentiellement par la géométrie des armatures et la nature du, ou des, isolant(s).

La formule simplifiée suivante est souvent utilisée :

C = (Ɛ.S)/e

avec : C : capacité en farads (F) S : surface des armatures (m2)

Ɛ : permittivité du diélectrique (F/m) e : distance entre les armatures (m)

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Le stockage cinétique de l’énergie

Les volants d’inertie stockent l’énergie sous forme cinétique. Ils sont constitués d’une masse en rotation autour d’un axe.

Les volants d’inertie sont des dispositifs qui se chargent et se déchargent sur quelques

secondes à une minute. Ils sont donc réservés à des applications où les cycles de stockage sont de courte durée.

Tapis de course :

D’après vous qu’est ce qui justifie l’utilisation d’un volant d’inertie sur le tapis de course ?

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Le stockage d’énergie sous forme hydraulique

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Le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé

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Le stockage d’énergie sous forme de chaleur

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Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène

Le stockage d’hydrogène sous forme solide (hydrures métalliques) améliore radicalement la sécurité liée au stockage de l’hydrogène

Avantages du stockage d'hydrogène solide :

•Réduction drastique des risques par rapport à des solutions haute pression ou cryogénique

• Un système complètement réversible (stockage/déstockage)

•Sans effet mémoire, déchargeable à 100 % où puissance et énergie sont découplées

•Souple d’utilisation (absorbe les variations de production d’hydrogène de l’électrolyseur, idéal lorsqu’il s’agit de stockage d’énergie

renouvelable intermittente) et réactif stocker l'énergie

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Présentation des accumulateurs

électriques

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Présentation des accumulateurs électriques

Les batteries (ou accumulateurs) et les piles sont des systèmes

électrochimiques, qui stockent de l'énergie sous forme chimique et la restituent sous forme électrique.

Les batteries sont basées sur un système électrochimique réversible, contrairement aux piles

On les retrouve dans les appareils autonomes ou embarqués qui sont de plus en plus nombreux au quotidien :

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Rappel sur le courant

L'intensité (ou courant) est proportionnelle à la quantité d'électrons déplacée par seconde.

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Principe de fonctionnement d’une batterie

Le courant est produit par la circulation d'électrons entre 2 plaques ou électrodes:

 une électrode positive capable de céder ou de capter les électrons

 une électrode négative capable de céder ou de capter les électrons

Une batterie ou une pile se caractérise par un couple «oxydant-réducteur», (par exemple Plomb/Oxyde de plomb, Nickel/Cadmium...) échangeant des électrons.

Les deux plaques baignent dans une solution électrolytique (ou

électrolyte), liquide ou sous forme de gel. C'est la réaction entre la solution et les électrodes qui est à l'origine du déplacement des électrons et des

ions dans la solution. stocker l'énergie

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Principe de fonctionnement d’une batterie

Un isolant poreux (ou séparateur) permet de séparer les deux plaques tout en autorisant le passage des ions.

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Principe de fonctionnement d’une batterie

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Principe de fonctionnement d’une batterie

Phase de décharge

Une batterie chargée possède un excès d'électrons au niveau de sa plaque négative et un manque d'électrons au niveau de sa partie positive. La réaction électrochimique engendre le déplacement des électrons au travers du récepteur, créant ainsi le courant. Lorsque les deux plaques possèdent le même nombre d'électrons, la batterie ne débite plus de courant.

Phase de charge

Le procédé est l'inverse de la décharge : pendant la charge, la batterie est

réceptrice du courant fourni par le secteur. Un générateur est placé aux bornes de la batterie et débite en sens inverse dans le système. À l'intérieur de la batterie, l'énergie chimique se manifeste par un transfert de matière grâce à une

circulation des ions. À l'extérieur de la batterie, l'énergie électrique se manifeste

par un déplacement d'électrons. stocker l'énergie

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Essai à vide d’un accumulateur électrique initialement chargé

stocker l'énergie

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Essai à vide d’un accumulateur électrique initialement chargé

En plaçant une résistance variable aux bornes de la pile neuve nous pouvons faire varier le courant débité par celle-ci.

Plus on diminue la résistance plus on augmente le courant délivré par la batterie.

On dit que l’on augmente la charge.

Plus on augmente la résistance plus on diminue le courant délivré par la batterie.

On dit que l’on diminue la charge.

On fait varier la charge et, à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre, on mesure le courant délivré par la pile et la tension à ses bornes.

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Cas du générateur réel

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Cas du générateur réel

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Cas du générateur réel

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Conclusion : L’essai en charge, pile chargée, permet de déterminer la résistance interne du modèle équivalent. Il faut obligatoirement avoir fait l’essai à vide au préalable de

façon à déterminer E

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Prise en compte du comportement non linéaire des constituants de l’accumulateur

Le modèle que l’on vient de voir est déjà suffisant pour beaucoup de simulations. Toutefois, si l’on veut simuler le fonctionnement d’une pile dans le temps, ce modèle ne suffit plus.

Une pile peut stoker une certaine quantité d’énergie, c’est ce que l’on appelle sa capacité. Elle s’exprime en A.h.

Application : Sur notre pile il est écrit 1.5V - 1000mA.h. Cela signifie qu’elle peut fournir 1000mA pendant une heure.

Déterminer l’énergie stockée dans note pile en joule (on considère la tension constante et égale à 1.5V).

Nous avons mesuré l’allure de la tension pour différentes valeurs de courant en fonction du temps:

On appelle « It » le courant de décharge nominal correspondant à une heure de

stocker l'énergie

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Prise en compte du comportement non linéaire des constituants de l’accumulateur

Pour les trois tracés ci-dessous, le courant de décharge a été de :

·Idécharge = 0,2×It=0,2×1000mA=200mA

·Idécharge = 1×It=1000mA=1A

·Idécharge = 3×It=3A

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La modélisation de ces phénomènes fait appel à des outils mathématiques que vous ne maîtrisez pas encore. Nous limiterons donc ce cours au 2ème modèle

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Modélisation Matlab

Le logiciel Scilab modélise ce phénomène

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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.

Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme

fonctionnel du système. Les logiciels multi-physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.

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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.

Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme

fonctionnel du système. Les logiciels multi-physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.

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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.

Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme fonctionnel du système. Les logiciels multi-

physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.

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c

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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.

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Pneumatique

L’énergie Pneumatique et hydraulique

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Choisir et dimensionner une pompe

Caractéristiques des pompes

Le rôle de la pompe est de transformer une énergie mécanique de rotation (fournit par un moteur thermique ou électrique) en énergie hydraulique. La pompe aspire alors de l’huile dans le réservoir et la refoule. Elle est donc un générateur de débit.

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Q = débit, en litres / minute (L / mn) Vg = cylindrée, en cm3 / tr

N = vitesse de rotation de la pompe en tr / mn

Q = Vg x N / 1000

Rem n°1 : une pompe est caractérisé par : sa cylindrée, sa pression admissible, son prix, son rendement, sa vitesse de rotation.

Rem n°2 : Il existe trois grandes familles de pompes : à engrenages, à palettes, à pistons.

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Les principaux types de pompes

Les pompes à palettes

Il existe plusieurs moyens pour produire un mouvement de rotation continu à l’aide d’un fluide sous pression. Le plus courant est le moteur à palettes qui est fréquemment utilisé dans les outillages pneumatiques (visseuses, meuleuses, perceuses, clefs à chocs, etc.).

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Fonctionnement :

Le stator 1 est fixe dans le corps de pompe .Le rotor 3 est muni de rainures dans lesquelles sont logées despalettes2.

Le rotor est entraîné en rotation dans le sens horaire par le moteur électrique. Les palettes sous action de la force centrifuge sont plaquées sur le stator. L'excentration eentre rotor 3et stator 2permet aux palettes d'effectuer des mouvements alternatifs dans les rainures exécutées dans le rotor.

Quand les palettes passent devant le lamage d'aspiration 5, le volume entre palettes augmente, c'est la phase aspiration de la pompe.

Les palettes continuant leur rotation, elles sont repoussées dans leur logement sous l'effet de l’excentration e. Le volume entre palettes est en diminution, c'est la phase de refoulement de la pompe.

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Les principaux types de pompes

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Les principaux types de pompes

Les pompes à engrenages

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La partie mobile des pompes à engrenage est composé de deux pignons qui engrènent et qui sont logés dans un corps. Un de ces "arbres pignons" est menant, couplé par un système de liaison élastique à l'arbre moteur.

L'autre est mené par son engrènement dans le premier. Le fluide hydraulique remplit le volume entre-dents et il est transporté de l'aspiration vers le

refoulement en occupant le volume entre-dents.

La dépression nécessaire à l'aspiration est provoquée par l'augmentation de volume engendré par le désengrènement progressif de 2 dents d 1 et d2 en contact.

Coté refoulement, 2 dents d3 et d4 rengrènent progressivement, ce qui engendre une diminution de volume et de ce fait, un refoulement du fluide.

L'étanchéité radiale entre l'aspiration et le refoulement est assurée au centre par le contact entre deux dents, sur l'extérieur par un film d'huile entre les pignons et le corps de pompe.

L'étanchéité axiale est réalisée par une compensation avec un flasque mobile sur lequel on vient appliquer la pression de refoulement.

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Les principaux types de pompes

Les pompes à pistons axiaux

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Principe de fonctionnement :

Dans cet exemple, le barillet solidaire de l'arbre de pompe porte généralement 9 pistons. Le mouvement alternatif des pistons est imposé par l'inclinaison du plateau. Cette inclinaison peut être fixe ou variable. En faisant varier

l’inclinaison du plateau il est donc possible de faire varier la cylindrée de la pompe.

Durant la phase d'aspiration, les pistons 4sortent du barillet 5 (augmentation de volume).

Durant la phase de refoulement, l'inclinaison du plateau chasse les pistons dans le barillet, c'est la diminution de volume.

Le frottement de glissement est assuré par des patins qui lient mécaniquement les pistons au plateau.

La pompe se compose pour l'essentiel :

- 1 : corps - 2 : plateau face ou inclinable

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Les principaux types de pompes

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Les principaux types de pompes

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