Soutenance mémoire
Premier production et commercialisation des supercondensateurs
Helmholtz propose le premier modèle de double couche en 1879, mais le premier brevet sur les condensateurs à double couche électrochimique (EDLC) n’a pas été déposé qu’en 1957 par la société General Electric à Becker. Il s’agit d’un supercondensateur à basé des électrodes en carbone poreux déposé sur de l’acier inoxydable dans un électrolyte aqueux de H2SO4. Quelques années plus tard, à partir 1962, l’autre société Américaine SOHIO recherche le lien entre la capacité de double couche et le stockage de charge à l’interface électrode-électrolyte. En 1975, L’entreprise Japonaise NEC reprend les licences de SOHIO, pour des applications ne nécessitant que de faible énergie. A partir 1982, NEC débute ses premières éléments supercondensateurs faisant intervenir en plus du stockage de double couche par stockage pseudo-capacitif. A cette époque, ce sont les électrodes en charbon actif et à électrolyte aqueux ou organique de petite dimension (capacité de quelques farads, énergie spécifique modeste de l’ordre de 0,5 Wh.kg-1). Les trois sociétés premiers productrices des gammes du supercondensateur de signal ce sont : Panasonic, Nec/Tonkin et Elna, sous la dénomination respective de Gold Capacitor, Super Capacitor et Dynacap
Supercondensateur (ultracondensateur)
Le supercondensateur est un stockage non faradique qui constitue un électrolyte liquide entouré de deux électrodes. Les électrodes sont des matériaux solides constitués d’un assemblage d’atome de carbone organisé en nid d’abeille. Elles ressemblent à des éponges dont les trous sont appelés pores. Sa réaction chimique qui permet de stocker ou déstocker l’électricité. L’électricité est stockée ou libérée beaucoup plus rapidement car il n’y a pas de processus électrochimique. Il se situe techniquement entre le condensateur et l’accumulateur électronique. En réalité, son mode de fonctionnement reste assez proche d’une batterie parce qu’un champ électrique entraine les ions à se déplacer vers ou depuis la surface électrode. Les réactions chimiques internes de batterie déplacent vers l’interne ou externe de la structure atomique de la matière composant l’électrode, donnant un changement de degré d’oxydation du matériau, selon la batterie est chargée ou déchargée. Mais dans un supercondensateur, le champ électrique provoque des ions à se déplacer vers ou depuis la surface des électrodes sans la réaction redox. Ainsi, le supercondensateur présente une double couche électrique sur chaque interface électrode-électrolyte. L’existence de double couche change les caractéristiques et les comportements d’un supercondensateur par rapport au condensateur. L’intérêt de ces composants réside dans l’absence de maintenance par rapport à des solutions à base d’accumulateur, il a une longévité et capable de stocker 1 million des fois plus d’énergie électrique qu’un condensateur.
Modélisation de la couche double [6]
Compte tenu des phénomènes physiques aux interfaces de la double couche électrique d’un supercondensateur, ce dernier ne peut pas être représenté par un simple condensateur formé par une capacité, une résistance série et une résistance de fuite. La théorie de Helmholtz permet de décrire le fonctionnement de la double couche électrique. Elle permet d’expliquer les différents phénomènes physiques qui se passent à l’interface entre un conducteur ionique liquide (électrolyte) et un conducteur électronique solide (électrode). L’interface est modélisée par deux répartitions superficielles des charges, électronique pour l’électrode et ionique de signe opposé pour l’électrolyte. D’un point de vue modèle électrique et thermique, il est très difficile, comme impossible de mettre en équation analytique le fonctionnement d’un supercondensateur pour plusieurs raisons. La première vient du fait qu’un ion doit passer à travers des pores du charbon actif qui ne sont pas uniformes et donc difficile à modéliser. De plus la présence d’une zone de charge d’espace à l’interface électrode-électrolyte n’est pas prise en considération à cause de sa complexité. Une autre difficulté réside dans la variation de la conductivité électrique du charbon actif et de la conductivité ionique de l’électrolyte. D’autres théories ont amélioré la première comme celle de Gouy et Chapman et celle de Stern, mais elles ne permettent pas d’établir un modèle qui reproduit fidèlement le comportement électrique et thermique d’un supercondensateur. Plusieurs auteurs proposent un modèle de type « circuit électrique » qui décrit le fonctionnement électrique d’un supercondensateur avec une bonne approximation. Mais l’inconvénient de ce modèle est le calcul complexe des différents éléments du modèle. De plus le temps de calcul en simulation est élevé, ceci est lié aux nombres de branche RC. En utilisant des approximations et suivant le domaine d’utilisation des supercondensateurs, on peut simplifier les simulations. Un modèle à deux branches dont la capacité est non linéaire et varie en fonction de la tension à ses bornes est largement suffisant.
APPLICATION DES SUPERCONDENSATEURS
Le choix d’un système de stockage est nécessaire pour envisager les performances, les durées pendant quelques milliers de cycle de charge et de décharge. Les utilisations lente (quelques heures) sont parfaitement assurées par des accumulateurs, pour des temps de cycle plus court (quelques secondes), on fait appel à des systèmes de puissance : les condensateurs. Les supercondensateurs à double couche électrique sont l’un des types de stockages compris entres les condensateurs et les accumulateurs. En d’autres termes, ils comblent les avantages entre les deux stockages (batterie et condensateur). Plusieurs domaines actuelle (Transport, militaire, télécommunication et informatique, les sources des énergies renouvelables, …) les utilisent en raison de leur performance : pic de puissance élevée, durée intéressante et la diminution des coûts. Leurs usages peuvent être en fonction du voltage et de la capacité. Un voltage entre 2,5 à 3 V pour les outils électriques, les alimentations sans interruption (UPS) ou le système d’automatisation de la collecte d’eau et d’énergie (AMR) avec une capacité entre 5 à 150F. Si la capacité entre 310 à 350 F, les supercondensateurs sont utilisés pour les éoliennes et le système d’ouverture d’urgence des portes des avions. Enfin, l’industrie des transports et de l’automobile se fournissent en supercondensateurs (650 à 3000F). Un voltage plus élevé, de l’ordre de 15 à 16.2V, est utilisé pour démarrer les batteries (20 à 58F), dans la construction des véhicules hybrides ou de soussystèmes automobiles (110 à 500F). Les éoliennes requièrent des supercondensateurs ayant des valeurs caractéristiques proches de 94F et 75V, tandis que ceux qui fonctionnant avec 125V et 63F sont des composants utilisés dans les véhicules lourds.
Véhicules microhybrides
La microhybride comporte le plus faible taux d’hybridation. Le moteur électrique du véhicule n’a aucune fonction de propulsion. Seul le moteur thermique va propulser, et le moteur électrique utilise uniquement à travers d’un système de type « Stop & Start » ou permettant d’arrêter le moteur automatiquement lorsque le voiture s’arrête (mettre en « veille » dès que la vitesse tombe au-dessous de 6kw/h embouteillage) et de redémarrer rapidement lorsque le chauffeur appuie de nouveau sur l’accélérateur. C’est une machine électrique de type alternodemarreur (faible puissance) qui assure la reprise du moteur thermique lors du démarrage et recharge la batterie. Le stockage peut probablement être rechargé en phase de freinage. Un tel système développé par Valeo est appliqué sur la Citroën C4 et C5 de PSA, il développe une puissance de 5kWsous 12V. Le « Stop& Start » permet de diminuer les nuisances sonores dans les zones urbaines et de réduire d’environ 10% la consommation grâce à l’emploi des supercondensateurs ou des batteries à haute performance.
Récupération de l’énergie au freinage [12], [13]
Fondamentalement, il n’y aucune différence entre un moteur et une génératrice de courant électrique : c’est le même appareil. Ce qui veut dire, qu’un moteur électrique peut indifféremment utiliser de l’énergie électrique pour produire une force mécanique (moteur), ou à l’inverse utilisé une force mécanique pour produire de l’électricité (générateur). Alors, au moment de freinage, les machines électriques (courant induit dans les bobines) de traction récupéré une partie de l’énergie cinétique et la convertit en énergie électrique qui recharge les éléments de stockage (batterie et/ou supercondensateur). Concrètement, quand on lève le pied de l’accélérateur et même que l’on commence seulement à presser la pédale de frein, le frein dynamique “s’enclenche”, la voiture produit de l’électricité et commence à ralentir. Si l’on presse la pédale plus fort, le frein classique vient s’additionner et le freinage est plus fort. Les capacités du freinage récupératif dépendront de la capacité des machines électriques, de la batterie à absorber la puissance de freinage et la capacité de stockage la quantité d’énergie correspondante. Ce stockage peut être une batterie ou combiné à des super-capacités qui servant de tampon et permettant d’absorber le maximum de puissance. L’optimisation de la récupération d’énergie su freinage nécessitera la minimisation des pertes dans la chaine de traction. Pour les VE, cette énergie permet d’accroitre l’autonomie du véhicule de l’ordre 10% et de réduire les coûts d’utilisation.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR LES SUPERCONDENSATEURS
I.1 ETAT DE L’ART DU SUPERCONDENSATEUR
I.1.1 Premier production et commercialisation des supercondensateurs
I.1.2 Technologie en développement
I.2 LES DIFFERENTS SYSTEMES DE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE DE L’ENERGIE
I.2.1 Le stockage faradique
I.1.1 Le stockage capacitif ou non faradique
I.1.1.1 Le condensateur diélectrique
I.1.1.2 Supercondensateur (ultracondensateur)
I.2 LES STRUCTURES DES SUPERCONDENSATEURS
I.2.1 Constitutions
I.2.2 Le fonctionnement d’un supercondensateur
I.2.3 Performance du supercondensateur
I.2.3.1 Cycle
I.2.3.2 Charge
I.2.3.3 Décharge
I.2.4 Classification des supercondensateur
I.2.4.1 Supercondensateurs électrostatiques
I.2.4.2 Supercondensateurs pseudo-capacitifs
I.2.4.3 Supercondensateurs Hybrides
CHAPITRE II : CONNAISSANCE SUR LES CARACTERISTIQUES ET LES APPLICATIONS DES SUPERCONDENSATEURS
II.1 LES MATERIAUX DE CONSTITUTION
II.1.1 Matériaux d’électrodes
II.1.1.1 Charbon actif
II.1.1.2 Le graphène
II.1.1.3 Le carbone dérivé de carbure
II.1.1.4 Conclusion
II.1.2 Les électrolytes
II.1.2.1 Les électrolytes aqueux
II.1.2.2 L’électrolyte organique
II.1.2.3 Les liquides ioniques
II.2 MODELISATION DES COMPORTEMENTS DU SUPERCONDENSATEUR
II.2.1 Modélisation de la couche double
II.2.2 Modèle à deux branches
II.2.2.1 Identification des paramètres
II.2.2.2 Paramètres de la branche rapide
II.2.2.3 Paramètres de la branche lente
II.2.2.4 Conclusion
II.3 APPLICATION DES SUPERCONDENSATEURS
II.3.1 Véhicule tout Electrique
II.3.1.1 Infrastructure de recharge
II.3.2 Véhicule Hybride Electrique
II.3.2.1 Véhicules microhybrides
II.3.2.2 Véhicule hybrides séries
II.3.2.3 Véhicule hybride parallèle
II.3.2.4 Véhicule hybrides séries/ parallèle
II.3.2.5 Remarque
II.3.3 Récupération de l’énergie au freinage
II.3.4 La gestion d’énergie
Chapitre III : DISCUSSION SUR LES SYSTEMES DE STOCKAGE
III.1 ANALYSE DE COMPORTEMENT THERMIQUE
III.1.1 La non-linéarité de la capacité
III.1.2 Observation du comportementale en régime charge-décharge
III.1.3 Sources des pertes en Joules à partir d’un seul supercondensateur
III.1.3.1 Identification des pertes Joule
III.1.4 Analyse des comportements électrochimiques
III.2 VIEILLISSEMENT DES SUPERCONDENSATEURS
III.2.1 Loi de vieillissement
III.2.2 Contribution de l’adsorption
III.2.3 Phénomène de régénération des performances
III.2.4 Autodécharge des supercondensateurs
III.2.5 Supercondensateur par rapport aux autres éléments de stockage d’énergi
III.2.6 Points améliorés
CONCLUSION GENERALE
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