Fonction Stocker
Le stockage de l’énergie est l’action qui consiste à placer une quantité d’énergie sous une forme qui permette son utilisation ultérieure.
Caractéristiques des accumulateurs
Capacité
La capacité d’un accumulateur est la quantité d’énergie qu’il peut emmagasiner ou restituer.
On l’exprime en joule [J], mais plus fréquemment en watt-heure [Wh], mais aussi en ampère-heure [Ah] pour les accumulateurs électrochimiques (
il ne s’agit pas d’une unité d’énergie, on parle parfois de quantité d’électricité).
ATTENTION à ne pas confondre avec la capacité d’un condensateur, exprimée en farad [F] (équivalent à [A.s/V])
Densités énergétique
La densité massique, ou énergie spécifique correspond à la quantité d’énergie qu’il peut restituer par rapport à sa masse.
On l’exprime en [Wh/kg] (ou [Ah/kg] pour un accumulateur électrique).
La densité volumique, ou densité d’énergie elle correspond à la quantité d’énergie qu’il peut restituer par rapport à son volume.
On l’exprime en [Wh/m³] (ou [Ah/m³] pour un accumulateur électrique).
On utilise aussi couramment l’unité [Wh/L].
La densité énergétique (massique ou volumique) est une des caractéristiques très importantes pour un accumulateur, en particulier pour ceux équipant les systèmes embarqués pour lesquels l’encombrement et/ou le poids est important.
Exemple d’une batterie plomb automobile classique :
Tension 12 V, capacité 135 Ah, masse de 48 kg.
Énergie massique :
U x C / m = 12 x 135 / 48 = 35 Wh/kg
Exemple d’un accumulateur Ni-MH de type R6 :
Tension 1,2 V, capacité 1,5 Ah, masse 25g.
Énergie massique :
U x C / m = 1,5 x 1,2 / 0,025 = 72 Wh/kg
On observe un facteur 2 entre les deux technologies !
Quelques autres énergies massiques pour comparaison :
Essence ou fuel 15 000 Wh/kg
Hydrogène 34 000 Wh/kg
Bois 5 000 Wh/kg
Pile à combustible 120 Wh/kg
Densités énergétiques de quelques carburants :
Densité de puissance
La densité de puissance (massique ou volumique) est la quantité de puissance emmagasinable par un système physique donné, divisé par le volume ou la masse de ce système.
Cette grandeur physique traduit la capacité du système à transmettre de l’énergie, à volume ou masse donné. On l’exprime en watts par mètre cube [W/m3] ou en watts par kilogramme [W/kg].
La densité de puissance peut être un critère important lorsqu’il existe une contrainte sur le volume disponible.
On peut comparer les densités de puissance des principaux accumulateurs électriques par un diagramme de Ragone :
Les différentes formes de stockage de l’énergie
Stockage de combustible
La combustion restant le processus énergétique le plus courant, c’est le stockage le plus développé.
- énergies fossiles : pétrole, charbon, gaz, hydrogène …
- énergies renouvelables : bois, agrocarburants, …
Stockage électrochimique
Le stockage d’énergie en vue de la production d’électricité (dans les piles et les batteries) est bien moindre en termes de quantité d’énergie, mais très important sur le plan pratique.
Les accumulateurs électrochimiques permettent le stockage d’électricité intermittente (solaire, éolienne, …) pour stocker et/ou auto-consommer.
Stockage électrostatique
Un condensateur électrolytique est un composant électronique ou électrique élémentaire, dont la propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques, pendant un temps très court.
Densité massique : 0.01 à 0.3 Wh/kg (source)
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 classiques.
Ces composants permettent donc de stocker une quantité d’énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu’une batterie.
Densité massique : 1.5 à 4 Wh/kg (source)
Stockage d’énergie thermique
Selon le matériau utilisé, le stockage de chaleur peut être réalisé à travers deux phénomènes :
- par chaleur sensible : l’énergie est stockée sous la forme d’une élévation de température du matériau de stockage.
Systèmes de chauffage domestiques : grande inertie thermique de certains matériaux (briques, huile, eau) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours des périodes où la chaleur a été produite ou captée.
Fours à feu de bois, en brique et terre réfractaire : la capacité de la voûte emmagasine la chaleur et la restitue pour la cuisson d’objets (poterie, émaux, etc.) ou de plats (pain, pizza, etc.).
Stockage de l’énergie excédentaire produite par les centrales solaires le jour, afin d’être utilisée le soir et la nuit. Cette technique est utilisée dans des centrales solaires thermiques. - par chaleur latente : l’énergie est stockée sous la forme d’un changement d’état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation)
Des matériaux à changement de phase (MCP) sont actuellement étudiés pour améliorer l’inertie thermique des parois des bâtiments.
Les pompes à chaleur, notamment les réfrigérateurs, congélateurs et climatiseurs, utilisent des fluides caloporteurs. Ceux-ci ne stockent pas à proprement parler de chaleur mais la transportent en changeant, éventuellement sa nature (chaud ↔ froid) et sa puissance.
Stockage cinétique
C’est un élément pratiquement obligatoire dans tous les moteurs, sous forme de volant d’inertie, pour réguler le mouvement à des échelles de temps très courtes, inférieures à la seconde.
Par exemple, dans les moteurs thermiques, le volant d’inertie — souvent associé à la couronne de démarreur et à l’embrayage — absorbe l’irrégularité du couple moteur entraîné par à-coups par les pistons. L’ajout du volant d’inertie permet alors de diminuer les vibrations.
Il est aussi utilisé pour le stockage à plus long terme :
- Système SREC ( Système de récupération de l’énergie cinétique) – en anglais KERS (Kinetic Energy Recovery System) sur les Formule 1 pour un gain ponctuel mais instantané de puissance.
- Systèmes d’alimentations sans interruptions statiques (ASI) et dynamiques (ADI) permettant de pallier la rupture de l’alimentation électrique pendant plusieurs secondes et de permettre d’attendre le démarrage d’un groupe de secours.
Densité massique : 0.01 kWh/kg
Stockage sous forme d’énergie potentielle de pesanteur
La remontée d’eau dans des barrages quand il y a surproduction d’électricité est déjà très utilisée pour la régulation et l’équilibrage des réseaux électriques (systèmes de pompage-turbinage). Il accroît la rentabilité et la disponibilité des énergies renouvelables.
Exemples :
Les accumulateurs électrochimiques
On les retrouve dans les appareils autonomes ou embarqués qui sont de plus en plus nombreux au quotidien.
appareils photo, téléphones portables, lecteurs MP3, jouets, jeux électroniques, télécommandes, petit électroménagers, outillages portatifs, véhicules automobiles…
Principe
Le principe de fonctionnement est basé sur la propriété qu’ont certains couples chimiques d’accumuler une certaine quantité d’électricité en modifiant leur structure moléculaire, et ceci de manière réversible (charge/décharge).
On appelle batterie un ensemble d’accumulateurs électrique reliés entre eux, en série ou en parallèle selon la capacité ou la tension désirée.
Pour une batterie, on parle souvent d’éléments ou de cellules.
Les piles (au sens commercial) ne sont pas des accumulateurs électrochimiques, car elles ne sont pas rechargeables.
Exemple : batterie d’accumulateurs d’un mini-aspirateur domestique
Caractéristiques d’un accumulateur
Le types d’accumulateur les plus courants sont : Plomb-acide, Ni-Cd (nickel-cadnium), Ni-MH (nickel-métal hydrure), Lithium-ion…
Tension nominale
La tension nominale ou potentiel nominal [V] d’un accumulateur est fixé par le potentiel d’oxydoréduction du couple redox utilisé : elle est de l’ordre de quelques volts pour un élément.
Comme en pratique des tensions plus élevées sont requises (typiquement 12V, 24V voire 48 V et plus), il suffit pour augmenter la tension de raccorder des éléments du même type en série au sein d’une batterie d’accumulateurs.
- Association en dérivation : augmentation de la capacité et du courant disponible
- Association en série : augmentation de la tension
Capacité de charge électrique
La charge électrique \(Q\) d’un accumulateur est la quantité d’électricité emmagasinée par l’accumulateur.
Elle s’exprime le plus souvent en Ah ou mAh.
La capacité de charge électrique \(C\) d’un accumulateur est la charge électrique qu’il peut fournir pendant un cycle complet de décharge (elle est généralement donnée par le constructeur).
L’énergie \(W\) stockée dans un accumulateur est égale à sa charge électrique \(Q\) multipliée par la tension moyenne \(U\) sous laquelle cette charge est déchargée.
\(\bbox[5px; border 2px; solid black]{\large{W=Q\times U}}\)
Exemple : Batterie 12V / 50Ah / 420A
→ tension / capacité / courant maxi
L’effet Peukert
Il est établi que la capacité disponible d’une batterie varie en fonction de la rapidité avec laquelle elle se décharge.
C’est ce qu’on appelle l’effet « Peukert », qui montre que la capacité \(Q\) d’une batterie dépend du courant débité.
Capacité de Peukert :
\(\bbox[5px; border:2px; solid black]{\large{Q_p=I^k\times t}}\)
avec :
- \(k\) constante propre à la batterie
(k >1 ; environ 1,2 pour une batterie au plomb). - \(I\) : courant de décharge [A]
- \(t\) : temps de décharge [h]
- \(Q_p\) : capacité de Peukert [Ah]
Exemple: Nous disposons de deux batteries de 12V identiques A et B entièrement chargées et d’une capacité nominale estimée à 100 Ah.
• La batterie A est déchargée avec un courant de 2 A. La durée de décharge correspond ici à 50 heures (100 Ah / 2 A).
• La batterie B identique est déchargée avec un courant de 20 A. La durée de décharge maximale correspondrait dans ce cas à 100 Ah / 20 A, soit 5 heures. Or le test réel permet de mesurer 3,5 heures.
En pratique, la capacité d’une batterie en Ah est indiquée avec la mention C/10 ou C/20…
Par exemple, pour une batterie portant sur l’étiquette « 15 Ah – C/10 », cela signifie qu’elle a une capacité Q = 15 Ah si le courant fourni est de 1,5 A (15 Ah/10h). L’autonomie en fournissant 1,5 A est donc de 10 heures.
Tension de seuil
Lors de la décharge, en deçà d’une certaine tension, appelée tension de seuil ou tension minimale critique, la batterie risque d’être endommagée.
L’effet de la température
Une batterie fonctionne de façon optimale de 20°C à 25°C. Autrement les caractéristiques changent, notamment pour les batteries au plomb (taux d’autodécharge, durée de vie …)
Utilisation
La charge
Les techniques de charge varient selon les types d’accumulateur : elle peut avoir lieu à courant constant, à tension constante, ou nécessiter des phases de charge plus complexes.
On distinguera la charge normale (ou lente), la charge rapide, la charge d’entretien, … De la vitesse de charge dépendra la durée de vie de l’accumulateur.
Pour les accumulateurs qui doivent être chargés en courant, le taux de charge, exprimé comme un rapport de la capacité C de l’accumulateur, sert à calculer le courant de charge.
Exemple : pour un taux de charge normale = C/10,
un pack d’accumulateurs de capacité C = 600 mAh devra être chargé à 60 mA.
Pendant la charge, la quantité d’électricité \(Q\) d’une batterie dépend du courant de charge \(I\), du temps \(t\) et du rendement de charge \(\eta\).
Le rendement \(\eta\) de la charge dépend du taux de charge, de la température, de la structure et de l’âge de l’accumulateur.
La plupart des accumulateurs ne supportent pas la surcharge. Il peut en résulter une détérioration très rapide.
La décharge
Un accumulateur peut fournir un courant plus ou moins important selon sa technologie.
Un courant trop important sur une trop longue durée, provoquerait un échauffement néfaste à sa durée de vie, voire une inflammation dans le cas des Li-Po.
Un accumulateur est considéré comme déchargé lorsqu’il a atteint une certaine tension appelée tension de seuil, sous peine de réduire considérablement sa durée de vie.
Le stockage
Lors d’une non utilisation, afin d’éviter la dégradation dans le temps des composés chimiques internes, il faut stocker les accumulateurs :
- Plomb-acide, NiMH : chargés
- NiCd : déchargés
- Lithium : chargés à 40%
Technologies
Plomb-acide
Il s’agit du système le plus ancien, mais aussi potentiellement l’un des plus polluants. C’est le dispositif de stockage d’énergie électrique utilisé dans la plupart des véhicules automobiles (uniquement pour le démarrage et l’alimentation des équipements électriques).
Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb.
- Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des batteries est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.
- La durée de vie ainsi que les performances d’une batterie au plomb dépendent fortement de l’utilisation que l’on en fait. Cette forte disparité est en partie due au fait que ces batteries sont influencées par le type de cycle charge/décharge qu’on leur impose, supportent très mal les décharges profondes et nécessitent un système embarqué de contrôle très poussé afin de fournir les meilleures performances possibles.
Ni-Cd (nickel-cadmium)
Ce couple électrochimique est l’un des plus couramment utilisés depuis plusieurs décennies pour fabriquer des batteries d’accumulateurs alimentant les appareils portatifs.
Ce type d’accumulateur possède un effet mémoire, ce qui impose leur stockage dans un état déchargé (0,6 V).
La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge négative. C’est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Ni-MH (nickel- hydrure métallique)
Ce type d’accumulateur n’incorpore ni cadmium ni plomb et est donc peu polluant. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est très faible.
La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge très faiblement négative. C’est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Ni-Zn (nickel-zinc)
Depuis que le problème de cyclage rencontré sur les premiers accumulateurs Ni-Zn est résolu, cette technologie constitue désormais un système à la fois d’énergie et de puissance, aux performances supérieures à celles du Ni-Cd et du Ni-MH. Il accepte des régimes élevés de charge et de décharge.
Le Ni-Zn est un accumulateur robuste, fiable et parfaitement sûr fonctionnant en mode sans maintenance (étanche). Sa durée de vie en cyclage est équivalente à celle du Ni-Cd, son autodécharge et son effet mémoire sont inférieurs. Le Ni-Zn est de fabrication plus économique que les autres accumulateurs alcalins (Ni-Cd et Ni-MH). Il ne contient aucun métal lourd, et il est aisément et intégralement recyclable en fin de vie.
Lithium
Les accumulateurs à base de lithium sont d’une technique récemment mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique : c’est l’accumulateur qui offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume).
Il existe trois sortes principales d’accumulateurs lithium :
- l’accumulateur lithium métal, contenant du lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité),
- les accumulateurs lithium-ion, où le lithium reste à l’état ionique,
- les accumulateurs lithium-polymère sont une variante et une alternative aux accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d’énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.
Brome
Actuellement au stade de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation de l’électrolyte et, de plus, le brome est particulièrement dangereux.
Comparatifs
| Plomb-acide | Ni-Cd | Ni-MH | Li-ion | Li-Po | Ni-Zn | Pile alcaline | |
| Energie massique [Wh/kg] | 30 – 50 | 45 – 80 | 60 – 110 | 90 – 180 | 100 – 130 | 70 – 80 | 80 – 160 |
| Energie volumique [Wh/l ] | 75 – 120 | 80 – 150 | 220 – 330 | 220 – 400 | 250 – 350 | 120 – 140 | ? |
| Tension nominale d’un élément [V] | 2,1 | 1,2 | 1,2 | 3,6 | 3,7 | 1,65 | 1,5 – 1,6 |
| Puissance massique en pointe [W/kg] | 700 | 300? | 900 | 1 500 | 250 | 1000 | ? |
| Cyclage (nombre de recharges) | 500- 1200 | 1500 – 2000 | 500 – 1000 | 500 – 1200 | 200 – 300 | > 1000 | 25 – 500 |
| Autodécharge par mois | 3% – 20% | 10% – 20 % | 10% – 15 % | 2% | 2% | > 20% | < 0,3% |
| Courant de charge normale [A] | C/5 | C/10 | C/10 | C/2 à C | C/2 à C | C/5 à C/3 | 50-80mA |
| Courant maxi de décharge [A] | 8C | 20C | |||||
| Tension de charge [V] | 2.3 – 2.4 | 1,45 mini | 1.6 mini | 4.1 | 4.2 | ? | 1.7 |
| Rendement de charge normale | 0.5 à 0.92 | 0.7 | 0.66 | 0.9 | 0.9 | ? | ? |
| Tension de seuil [V] | 1.6 – 1.9 | 0.8 | 0.9 | 2.5 – 3 | 2.5 – 3 | ? | 1.25 |
Pour en savoir plus …
https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_électrique
http://www.ni-cd.net/accusphp/index.php
http://bricolsec.canalblog.com/archives/2008/01/12/7499479.html
https://www.monolithicpower.com/en/learning/resources/how-to-select-lithium-ion-battery-charge-management-ic