Le stockage electrochimique et l’energie solaire photovoltaïque

DES TECHNOLOGIES DE STOCKAGE EN EVOLUTION

A l’heure actuelle, le stockage de l’énergie électrique est principalement réalisé grâce à des accumulateurs électrochimiques. Pour des raisons de coût et de disponibilité industrielle, la technologie plomb-acide assez ancienne est malgré tout la plus utilisée dans le monde [1]. Mais aujourd’hui, diverses limites freinent le développement de tels systèmes comme leur durée de vie, leur recyclage en fin de vie, l’impact sur l’environnement, le coût, le rendement de stockage et de restitution de l’énergie. Ainsi pour des systèmes de production de l’énergie électrique à grande échelle dont la durée de vie doit être supérieure à trente ans, le stockage reste un problème majeur et le principal frein au développement des énergies durables alternatives de type éolien, marée motrice et solaire. Parmi les technologies les plus prometteuses, les batteries à base de lithium, occupant plus de 70% du marché mondial dans le domaine des accumulateurs portables, possèdent des caractéristiques et un potentiel d’amélioration important pouvant servir au développement de nouveaux systèmes de production notamment les systèmes photovoltaïques. Ceci a notamment été démontré à travers les conclusions du réseau thématique européen INVESTIRE [2]. Ce réseau a eu en charge l’évaluation des diverses technologies de stockage sous l’angle de critères spécifiques liés aux énergies renouvelables. Ainsi le coût, le rendement énergétique, la densité d’énergie, la puissance spécifique, le nombre de cycles de fonctionnement, la recyclabilité ou la facilité de détermination de l’état de santé ont été les principaux critères retenus . Le rendement énergétique de chaque technologie a été également comparé (figure 2.1). La synthèse de l’ensemble des critères a permis d’établir un indice nommé indice de performance énergétique qui permet de pouvoir effectuer une comparaison entre chaque technologie suivant les applications dans lesquelles elle est potentiellement utilisable.

Ainsi pour des applications stationnaires de faible puissance dont le principal critère est l’autodécharge (la plus faible possible), le lithium ressort comme le meilleur candidat. Par contre, pour les applications de puissance moyenne en site isolé, ayant comme critère l’autonomie, la batterie plomb reste le meilleur compromis entre la performance et le coût. Le lithium-ion ressort dans cette catégorie comme le plus performant mais avec un coût encore trop élevé. Pour la connexion au réseau où le critère essentiel est le stockage de l’énergie élevé (MWh), l’air comprimé et les batteries redox sont les plus appropriés .

Les applications envisageables avec les moyens de stockage actuellement industrialisés se différencient principalement par l’utilisateur du système (distributeur ou particulier) et l’échelle de temps de fonctionnement. Depuis, d’autres projets européens ont été amorcés et sont en cours pour préciser les premières conclusions et tenir compte du changement très rapide des technologies de stockage et des applications auxquelles elles sont destinées .

UN BESOIN SPECIFIQUE A L’HABITAT SOLAIRE

GENERALITES

L’habitat et le tertiaire sont responsables en France de la production d’environ 84 millions de tonnes de CO2 par an (23%), sur un total de 365 millions de tonnes selon l’étude sur les émissions dans l’air en France métropolitaine [4]. Plus généralement, pour les études des influences des gaz à effet de serre sur l’environnement, les substances et les indicateurs actuellement suivis sont principalement le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d’azote (N2O), l’hydrofluorocarbure (HFC), le perfluorocarbure (PFC), l’hexafluorure de soufre (SF6) et l’indicateur de pouvoir de réchauffement global à 100 ans (PRG).

Les normes actuelles de l’habitat évoluent vers les Bâtiments à Basse Consommation (BBC) voire vers les Bâtiments à Energie Positive (BEP) [5].Par exemple, le chauffage bois peut être une bonne solution pour avoir un bon bilan carbone dans l’habitat. C’est une énergie renouvelable et abondante qui peut être disponible localement et qui représente 3% des émissions de CO2 (11 millions de tonnes). Ainsi, le solaire thermique basse température se démocratise dans les nouvelles habitations pour les alimenter en eau chaude sanitaire et chauffage [6]. L’énergie solaire photovoltaïque (PV) aujourd’hui est la réponse la plus utilisée pour montrer des bilans énergétiques positifs sur les appellations « habitat à énergie positive ». Cependant, l’intégration de ces systèmes photovoltaïques à l’habitat pose quelques problèmes notamment sur la qualité de l’électricité produite ainsi que la durée de vie des installations. Si les systèmes photovoltaïques continuent à se généraliser dans l’habitat, le problème de stabilité des réseaux électriques va se poser rapidement car, la production d’énergie électrique photovoltaïque dépendant essentiellement des données météorologiques, ne suit en rien les besoins de consommation domestiques et ne répond notamment pas aux pics de consommation des réseaux. Aujourd’hui, les fonctions de stockage sont interdites en France sur les systèmes raccordés au réseau. Dans le futur, ils devront pourtant être intégrés dans les normes pour éviter une détérioration globale des réseaux. Cette thèse porte principalement sur l’étude de l’utilisation potentielle du lithium dans les applications destinées à l’habitat [7]. Les travaux de recherche se sont déroulés dans le cadre du projet ANR HABISOL 2006 intitulé « Module Photovoltaïque Multifonctionnel avec stockage Lithium-ion » sous la responsabilité de Florence MATTERA, CEA-LITEN. L’objectif général de ce projet était de créer un module multifonctionnel d’énergie pouvant être un générateur autonome assurant plusieurs fonctionnalités autant dans des situations d’absence de réseau (systèmes autonomes) que dans le cas de lissage de production (connexion réseau). SAFT, partenaire industriel, s’est engagé à fournir des éléments de stockage lithium-ion dédiés à l’habitat. Le LAAS, troisième partenaire avait en charge les aspects électroniques permettant d’avoir un module compact et performant assurant une production photovoltaïque maximale et fiable. Les aspects équilibrage, sécurité et gestionnaire de batterie ont ainsi été particulièrement étudiés afin de s’adapter à plusieurs technologies lithium.

LE STOCKAGE DE L’ENERGIE SOLAIRE VIA UN GENERATEUR ELECTROCHIMIQUE

Aujourd’hui, les performances du stockage de l’énergie électrique s’améliorent constamment comme le montre le diagramme de Ragonne de la figure 2.4, classant les différents types de technologie en fonction du compromis puissance/énergie. Les marchés les plus demandeurs concernent les systèmes autonomes allant des systèmes électroniques portables (nouvelles fonctions liées au nomadisme comme le téléphone, le mp3, l’ordinateur,…) jusqu’au transport. Par exemple, la démocratisation de diverses fonctions de bricolage fait apparaitre une gamme d’outils et d’appareils portatifs de plus en plus sophistiqués et présentant une autonomie intéressante (perceuse électrique, tondeuses,…).

Dans un futur proche, les nouveaux modes de propulsion autant individuels que collectifs devront développer de nouvelles fonctionnalités de stockage, en particulier en milieu urbain pour réduire les émissions de polluants et de CO2. L’alliance Renault-Nissan et EDF est un exemple pour le développement de systèmes intégrés novateurs rapprochant la charge/décharge du véhicule électrique à la problématique de l’habitat. Il semble ainsi possible d’améliorer les bilans énergétiques du véhicule et du secteur résidentiel [9], [10] en couplant ces deux applications. Selon divers constructeurs automobiles et fabricants de batterie, le véhicule individuel de demain peut jouer un rôle capital dans l’habitat, devenant interactif et même pour les plus visionnaires un producteur d’énergie à part entière, [11], [12]. Ainsi un véhicule à l’arrêt, inutilisé pour 90% du temps peut mettre à profit ces batteries pour contribuer au stockage stationnaire nécessaire au bon fonctionnement des énergies renouvelables d’une habitation. Pour les applications nécessitant une autonomie (absence de réseau) avec une grande sécurité comme par exemple les relais émetteur/récepteur télécom situés souvent en altitude ou loin d’un réseau, les éléments de stockage doivent présenter le minimum de défaillance. Pour pallier cela, plusieurs technologies sont couplées entre elles. Aujourd’hui, avec le développement massif des énergies renouvelables devenant des micros-sources d’énergie connectées toutes à un même réseau, la problématique du stockage se pose à une plus grande échelle rejoignant la problématique de stabilité du réseau électrique [13]. Tous ces marchés, quelles que soient la puissance et l’application, nécessitent des systèmes de stockage sophistiqués et performants en terme de densité d’énergie (massique et volumique) et de puissance. De plus, la durée de vie des éléments de stockage doit aujourd’hui être compatible avec l’application en assurant un taux de panne le plus faible possible. De même, ils doivent présenter une grande sécurité pour être compatibles avec un usage grand public. Depuis les prises de conscience récentes de notre impact sur l’environnement, les normes deviennent de plus en plus draconiennes pour assurer un faible taux de pollution en fonctionnement et une grande recyclabilité en fin de vie [14], [15]. Aujourd’hui, deux technologies de stockage connaissent des développements importants : les accumulateurs électrochimiques et les super-condensateurs. Bien qu’ils présentent des potentiels de stockage de l’énergie intéressants, ces deux systèmes ne doivent pas être considérés comme concurrents, mais plutôt complémentaires. Les accumulateurs présentent des potentiels de forte densité d’énergie alors que les super condensateurs sont connus pour leur forte densité de puissance [16]. Au-delà de la recherche de nouveaux matériaux sous forme de micro et nanostructures pour améliorer sans cesse leurs performances [17], [18], le développement de tels systèmes de stockage ne pourra se faire qu’en les associant à une électronique de précision évaluant au mieux les états de charge et de santé en temps réel. Bien que les batteries lithium-ion, lithium métal-polymère, nickel-hydrure métallique apparaissent actuellement comme des systèmes prometteurs faisant l’objet de beaucoup de recherches [16], il ne faut pas négliger les couples électrochimiques plus classiques présentant des performances parfois intéressantes comme les batteries stationnaires pour le photovoltaïque qui sont encore à base de technologie plomb. Pour tous, la clé d’un développement technologique à plus long terme, passera par une meilleure gestion de l’électricité intégrant des fonctionnalités  électroniques (auxiliaires dédiés aux conditions de fonctionnement de la batterie) augmentant la durée de vie et réduisant les coûts. Les travaux de cette thèse se concentrent sur l’étude comparative de diverses technologies lithium et leur utilisation potentielle dans le domaine domestique de l’habitat.

Table des matières

I INTRODUCTION GENERALE
II GENERALITES : LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ET L’ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE
II.1 INTRODUCTION
II.2 DES TECHNOLOGIES DE STOCKAGE EN EVOLUTION
II.3 UN BESOIN SPECIFIQUE A L’HABITAT SOLAIRE
II.3.1 GENERALITES
II.3.2 LE STOCKAGE DE L’ENERGIE SOLAIRE VIA UN GENERATEUR ELECTROCHIMIQUE
II.3.3 LES BATTERIES COMME ELEMENTS DE STOCKAGE DE L’ENERGIE D’UN RESEAU
II.3.4 LES APPLICATIONS ISOLEES ET AUTONOMES
II.3.5 LES TECHNOLOGIES LITHIUM-ION INNOVANTES
II.3.5.1 RAPPEL SUR LE PRINCIPE D’UN ACCUMULATEUR LITHIUM-ION
II.3.5.2 DEFIS ET INNOVATIONS TECHNOLOGIQUES
II.3.6 MODELISATION D’UNE CELLULE ELECTROCHIMIQUE LITHIUM-ION
II.3.6.1 CRITERES CARACTERISTIQUES D’UN ACCUMULATEUR LITHIUM-ION
II.3.6.2 MODELE EQUIVALENT
II.3.7 METHODES DE CHARGE D’UN ACCUMULATEUR LITHIUM-ION
II.3.7.1 FONCTIONNEMENT EN CHARGE
II.3.7.2 INFLUENCE DE LA TENSION DE CHARGE SUR LE PROCESSUS DE CHARGE
II.3.7.3 INFLUENCE DU COURANT DE CHARGE SUR LE PROCESSUS DE CHARGE
II.4 L’ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE
II.4.1 LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
II.4.1.1 GENERALITES
II.4.1.2 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET MODELISATION
II.4.1.3 RENDEMENT DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES
II.4.2 LE GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE
II.4.2.1 MISE EN SERIE/PARALLELE
II.4.2.2 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE ET DE L’ECLAIREMENT SUR LES CARACTERISTIQUES D’UN GPV
II.4.2.3 PROTECTION D’UN GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE
II.4.3 LES APPLICATIONS DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
II.4.3.1 LES SYSTEMES RACCORDES AU RESEAU
II.4.3.2 LES SYSTEMES ISOLES ET AUTONOMES
II.4.4 PRINCIPE DE LA RECHERCHE DU POINT MAXIMAL DE PUISSANCE
II.4.4.1 GENERALITES ET PRINCIPE D’UNE COMMANDE MPPT
II.4.4.2 LES COMMANDES MPPT NUMERIQUES DU LAAS-CNRS
II.4.4.3 PERFORMANCE DES COMMANDES MPPT NUMERIQUES
II.4.5 EVOLUTION DES CHAINES DE CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUES
II.4.6 SYNTHESE DES REGLEMENTATIONS DE L’INTEGRATION AU BATI ET BESOIN D’EVOLUTION DES PROFILS DE CONSOMMATION
II.5 SYNTHESE
III LES BATTERIES LITHIUM-ION : DU STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE AVANCE A LA GESTION ELECTRONIQUE OPTIMISEE
III.1 INTRODUCTION
III.2 GENERALITES
III.2.1 CAHIER DES CHARGES
III.2.2 SPECIFICATIONS D’UTILISATION D’UN MODULE LIPV
III.2.2.1 DIMENSIONNEMENT D’UN MODULE LIPV POUR L’HABITAT
III.2.2.2 BILAN DE L’ANALYSE THERMIQUE DU SYSTEME MODULE LIPV
III.2.3 PRESENTATION DE L’ARCHITECTURE SYSTEME DU MODULE LIPV
III.3 PRESENTATION DE LA CHAINE DE CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE LIPV
III.3.1 CONVERSION DC/DC (CONVERTISSEUR C1)
III.3.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
III.4 DEFINITION ET REALISATION DE LA FONCTION DE STOCKAGE
III.4.1 PROFIL D’USAGE DE LA BATTERIE
III.4.2 DETERMINATION DE L’ENERGIE INITIALE DE LA BATTERIE
III.4.3 CARACTERISTIQUES ET SPECIFICATIONS ELECTRIQUES
III.4.4 SPECIFICATIONS MECANIQUES ET DIMENSIONNELLES DES BATTERIES
III.4.5 COMPORTEMENT EN VIEILLISSEMENT CALENDAIRE ET CYCLAGE
III.4.6 DETERMINATION DE L’ETAT DE CHARGE D’UN ACCUMULATEUR LI-ION
III.4.7 COMPORTEMENT EN SITUATION EXTREME ET ABUSIVE
III.5 CONCEPTION D’UN SYSTEME DE GESTION DE BATTERIE (BMS) OPTIMISE POUR LE MODULE LIPV
III.5.1 SPECIFICATIONS DES MODES DE FONCTIONNEMENT
III.5.2 METHODE D’ANALYSE FONCTIONNELLE DU SYSTEME DE GESTION DE LA BATTERIE
III.5.2.1 GESTIONNAIRE DE BATTERIE LI-ION (BMS)
III.5.2.2 MISE EN SERIE DES ELEMENTS BATTERIE
III.5.2.3 SENSIBILITE AU SEUIL DE TENSION
III.5.2.4 DISPERSION DES ELEMENTS
III.5.3 GESTION DE LA BATTERIE ET STRATEGIES OPTIMISEES
III.5.3.1 OPTIMISATION DU PROFIL DE CHARGE ET DE DECHARGE DES ELEMENTS BATTERIE
III.5.3.2 CRITERES DE FIN DE CHARGE
III.5.3.3 CRITERES DE FIN DE DECHARGE
III.5.3.4 CRITERES EN TEMPERATURE
III.6 SYSTEME DE PROTECTION DES CELLULES BATTERIE
III.7 SYNTHESE
IV CONCLUSION GENERALE

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