Systèmes de stockage d'énergie électrique

2000/10/01 Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

Aujourd'hui, il nous serait difficile de vivre sans énergie électrique. Une fois utilisé, on peut penser que la technologie est énormément développée et qu'elle l'est, puisque des turbines très efficaces sont utilisées depuis longtemps pour se transformer en énergie électrique. Cependant, il a encore quelques "problèmes", surtout en ce qui concerne le transport (où l'énergie est perdue) et le stockage (car il n'est pas très facile de stocker l'énergie électrique). Dans l'article, nous allons nous référer aux outils de stockage d'énergie électrique: les accumulateurs. Le numéro précédent mentionne les accumulateurs type feuille les plus récents, mais cette fois, les caractéristiques générales des trois types d'accumulateurs sont présentées.

En général, il est considéré que l'énergie électrique doit être utilisé au même moment qu'il est produit. Ou que l'on croit au moment même de son utilisation. C'est pourquoi les grandes centrales électriques, qu'elles soient d'un type ou d'un autre, doivent tenir compte de l'utilisation de pointe d'énergie électrique tout au long de la journée et d'un jour à l'autre. Cependant, comme indiqué dans l'introduction, il existe des accumulateurs d'énergie.

Celle des accumulateurs est un champ relativement large, peut-être pas, mais nous pourrions dire que c'est une zone en expansion, car à mesure que les technologies avancent, l'efficacité des accumulateurs augmente. Il existe déjà plusieurs modèles et types sur le marché (voir graphique 1). Ils ne sont pas utilisés dans des endroits où beaucoup d'énergie est nécessaire, mais ils sont très utiles dans certaines situations. Par exemple, pour stocker l'énergie excédentaire dans des systèmes isolés ou pour répondre aux exigences de puissance de pointe. Ces systèmes ou accumulateurs de stockage d'énergie peuvent être classés en trois groupes: 1) accumulateurs électromécaniques (EMB) ou systèmes Flywheel, 2) accumulateurs électrochimiques (de Pb-acide, de nickel, Ni-Cd, NiMH, de lithium...) et 3) accumulateurs lamellaires ou ultracondensateurs.

Accumulateurs électromécaniques

Aussi appelés systèmes flywheel. Ils utilisent l'énergie cinétique. Ce sont des systèmes de petite masse mais à grande vitesse (voir figure 1). L'énergie obtenue est exprimée par la formule E = 1/2 J W2, où J est l'inertie du rotor (= m.R2) et W est la vitesse angulaire. Les composants ou parties de ces accumulateurs sont le rotor, les paliers, le moteur/générateur, l'électronique de puissance et de contrôle et la structure de génération de vide. La fonction des rotors est de stocker l'énergie cinétique. Ils peuvent être d'un seul anneau ou de plusieurs anneaux, qui à leur tour sont en acier ou en fibre de carbone. Ces derniers sont plus résistants et légers, et la défaillance du rotor réduit les dommages. Ils peuvent atteindre des vitesses de 1.400-2.000 m/s et générer une énergie spécifique supérieure à 700 Wh/Kg. Le moteur est celui qui transforme l'énergie cinétique en énergie électrique ou vice versa. Les plus utilisés sont ceux qui génèrent un champ magnétique continu, parmi lesquels ceux d'ordination Halbach. Les aimants sont disposés alternativement dans différentes directions pour créer un champ magnétique continu. L'appareil électronique de l'accumulateur adapte la tension et contrôle le fonctionnement du rotor et du moteur. L'investisseur est celui qui présente la plupart des difficultés, car il peut avoir des problèmes quand il s'agit d'augmenter considérablement la vitesse. La charge du rotor est supportée par les paliers. Ils peuvent être mécaniques (en acier, céramiques ou hybrides), pneumatiques ou magnétiques. Les paliers magnétiques actifs nécessitent un système de contrôle et sont déjà commercialisés (ils ont réalisé des prototypes de 60.000 r.p.m. ). Les passifs, cependant, sont en phase expérimentale, ne nécessitent pas de systèmes de contrôle en raison de leur stabilité naturelle et les matières sont hyperconducteurs. Le rotor est également sous vide dans un emballage. Ainsi, l'influence de la friction est réduite et les autres composants de l'accumulateur peuvent être protégés en cas de détérioration ou de rupture du rotor.

Ces accumulateurs mécaniques sont principalement utilisés dans les véhicules (électriques ou mixtes et locomotives), les systèmes d'alimentation sans interruption (UPS), pour introduire de l'énergie de haute qualité dans le réseau électrique, les satellites et les chargeurs rapides.

Accumulateurs électrochimiques

Ils sont les accumulateurs les plus courants. Il existe plusieurs types, mais en général ils peuvent être regroupés en quatre groupes: de plomb acide (Pb-acide), de nickel (Ni), de lithium (Li) et de métal-air. L'essence de tous est la même : insérés dans un électrolyte qui peut être liquide ou solide, mais séparés, il y a une électrode positive et négative ; en mettant en contact les deux électrodes, les électrons passent d'un côté à l'autre générant du courant électrique. Bien que nous ne les exposerons pas tous, dans le diagramme de Ragonne vous pouvez voir l'énergie et les puissances spécifiques de la plupart des accumulateurs électrochimiques.

Les plus utilisés sont ceux de pb-acide et ceux de technologie la plus développée. Parmi ceux qui utilisent le nickel, la technologie la plus développée est celle de Ni-Cd, mais maintenant ils remplacent NiMH par des accumulateurs (nickel-méthalhydrate), puisque le cadmium est très polluant.

Les métaux air utilisent comme anode le zinc (Zn), le fer (Fe), l'aluminium (Al) et le lithium (Li) et la cathode est oxygène de l'air, donc il ne change que l'anode de recharge.

Pour le moment, comme déjà indiqué, sont ceux qui sont les plus utilisés et ceux qui seront le plus utilisés à court terme, et on ne sait pas quel sera le substitut à l'avenir. Il semble être de NiMH, Li-ion et Li-polymère ceux qui peuvent être remplacés.

Ultra-condensateurs

Ils sont également appelés accumulateurs type page. Ils stockent de l'énergie en stockant des charges électriques, des centaines de fois plus que les condensateurs conventionnels. Ils peuvent également donner de très grands pics d'énergie.

Il existe deux types: deux couches et plusieurs. Les deux couches ont deux électrodes et électrolyte et la charge est accumulée sur la surface comprise entre l'électrode et l'électrolyte. L'énergie stockée dépend de l'électrode : celles des oxydes métalliques ont une grande capacité spécifique et une surface basse, tandis que celles du carbone ont une faible capacité spécifique et une grande surface. Ils testent également les ultra-condensateurs qui vont avoir mélangés les deux. Plusieurs couches présentent des couches très fines et du matériel diélectrique intercalé. Ils sont si fins accumulateurs que le contrôle de la structure est atomique.

La technologie des ultra-condensateurs est très nouvelle, mais on pense qu'elle sera d'une grande importance à l'avenir. Pour plus d'informations dans le numéro de septembre 2000.