APPLICATION : STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Le problème du stockage concerne essentiellement l’énergie électrique. Le stockage des énergies fossiles ne pose pas de problèmes autres que ceux liés à la sécurité de confinement et d’approvisionnement. 1- BESOINS En électronique de puissance : convertisseurs à transfert indirect Dans les applications domestiques, embarquées ou portables : autonomie, indépendance énergétique En appui sur les réseaux pour les coupures brèves et le contrôle de la puissance réactive en ligne Dans le développement durable en association avec les énergies renouvelables dont les cycles de production ne sont pas liés aux cycles de consommation. 2- CADRE APPLICATIF services à la personne (loisir, communication, santé), industrie, tertiaire, transport. 3- HISTORIQUE (imaginer les sauts technologiques) :

Quelques exemples à partir du procédé 1 (ci-après)

La bouteille de Leyde (1745), 1er stockage électrostatique, La pile Volta CuZn acide (1800) : apparition du principe l’accumulateur au Pb de Gaston Planté (1859) : formalisation et explication, 1ers dispositifs industriels, la pile sèche Leclanché (1866), début du XXème siècle : besoins dans l’automobile le futur : piles à combustibles (William Gove 1839) et multiples technologies de batteries (Li ion , etc..).

Je recommande la visite du musée des arts et métiers, section « Energie » des visites scolaires sont possibles : http://www.arts-et-metiers.net/magic.php?P=40&lang=fra&flash=f

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4 - QUELQUES PROCEDES ILLUSTRATIFS : Stockage d’énergie pour un appareils portables (téléphones, prothèses médicales, jouets, etc…) Stockage d’énergie pour l’alimentations ininterruptibles pour systèmes informatiques Stockage d’énergie pour le transports : automobiles, véhicules hybrides (11), véhicules à PAC, on précise la transposition didactique dans le tableau suivant :

PROCEDE ELEMENTAIRE repéré dans l’application

SYSTÈME ARTIFICIEL susceptible de faire l’objet d’expérimentations en

milieu scolaire

MATERIELS supports des procédés élémentaires et des savoirs visés

STOCKAGE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Procédé élémentaire : stocker de l'énergie

SCOOTER ÉLECTRIQUE Accumulateur - pile à combustible –

super condensateurs - Inductances

5- CONTRAINTES LIÉES ÀU PROCEDE RETENUE : Stocker l’énergie pour l’utilisation d’un scooter électrique Le procédé applicatif retenu est le scooter électrique. Il se justifie au regard de l’impact environnemental et du fort développement de ce produit, notamment dans les pays en voie de développement. Le tableau ci-dessous donne quelques argument environnementaux et économiques en faveur de la solution électrique.

Performances électriques

Impact écologique

maintenance

Coût d’entretien

Fin de vie

Accélérations importantes possibles Récupération d’énergie

Pas d’émission directe de polluant gazeux Pas de bruit (important en ville)

Usure moindre d’unsystème électrique

Le coût de l’électricité est inférieur à celui descarburants à mêmepuissance

Utilisation de batteries à grande cyclabilité(NiMH=1700 cycles)

Recyclage possible des batteries

Conception modulaire pour le recyclage ou la réutilisation

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Descriptif du dispositif

Batterie d’accumulateur : Source principale d’énergie réversible Cycle urbain

Convertisseur DC-DC Stockage partiel d’énergie : -condensateurs -inductances

Flux d’énergie interne : -Réversibilité -Moteur synchrone Q1-3 -Convertisseur DC-DC

Scooter électrique : Amélioration de l’impact écologique Meilleur coût d’usage économique

Flux d’énergie extérieur Impact écologique

Coût

Usage et fin de vie Emission de polluants

Nombre de cycles Recyclage

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Les contraintes générales

Un certain nombre de contraintes sont communes à tous les procédés de stockage de l’électricité, on liste ici les principales. Durée : temporaire/long Réversibilité du stockage : dépend du principe et du système de contrôle de l’énergie Quantité d’énergie à stocker : dépend du principe

Cycle urbain et puissance absorbée pour un 2-roues asiatique

Capacité à mobiliser rapidement l’énergie stockée Cyclabilité : lié à la technologie Rendement énergétique lié au principe et à la technologie (exemple : 70% pour une batterie au Pb)

Frontière de l’étude internes au dispositif : flux d’énergie entre la batterie le convertisseur et le moteur synchrone liaison avec le fonctionnement mécanique. Analyse des différents composants et de la conversion d’énergie de la batterie aux grandeurs mécaniques, réversibilité. Détermination de la capacité (Ah) et de la masse (=technologie) selon les performances mécaniques et d’usage (=durée de vie) souhaitées. externes mécaniques: énergie mécanique et cycle urbain d’usage, on constate la nécessité de fournir une puissance crête de l’ordre de 4kW alors que la puissance moyenne est de l’ordre de 600W, ce qui pose des problèmes de pollution sévère pour les véhicules à moteur thermique, mais aussi de l’optimisation performances-coût de sources hybrides pour des véhicules électriques (association batterie+supercapacité ou PAC+supercondensateur) (voir figure ci-contre et (17))

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externes environnementales : les cyclomoteurs sont proportionnellement beaucoup plus polluants que les autres véhicules à moteur thermique, leur carburation et leur moteur étant sommairement conçus selon les critères de pollution. Un scooter produit proportionnellement

3 fois plus de C02 qu’un camion et 8 à 10 fois plus qu’une automobile. Si on considère la pollution sonore, ce type de véhicule très répandu en ville contribue significativement à l’accroissement du bruit urbain. Ainsi, pour ces différentes raisons, la solution électrique pour ces engins est-elle particulièrement intéressante. Se pose toutefois la question d’une fourniture massive d’électricité (et donc des moyens de sa production=impact écologique).

Sur 4 ans, le scooter électrique coûte 25% moins cher qu’un scooter de 400cc à essence

400cc

essenceElectrique ratio

Prix d’achat € 6250 € 8400 -34%

Km/an 6000 6000

Coût sur 4 ans essence/Electricité € 1404 € 98 93%

Maintenance sur 4 ans € 1200 € 400 67%

Assurance sur 4 ans € 3000 € 1500 50%

Taxes et carte grise € 210 € 0 100%

EV Incentives € 0 (€ 1400)

Coût sur la vie du Scooter € 12064 € 8998 25%

Coût de l’essence €1.17/litre, consommation de 5 litres/100 km coût de l’électricité €0.15/kWh, en

supposant 37 km/kWh

externes éco-conception : les considérations économiques portent sur le coût d’usage d’un scooter électrique voir données suivantes et pour les détails des enjeux (16), (17) ainsi que sur l’optimisation économique du dispositif de stockage relatif à l’usage du scooter. Pour des exemples chiffrés de gain de coût pour un produit commercial voir (16).

5-1 CONTEXTE GÉOÉCONOMIQUE ET IMPACT GLOBAL SUR L'ENVIRONNEMENT : la pollution engendrée par les 2 roues est un problème majeur dans les pays d’Asie où ces véhicules sont en développement

exponentiel à cause de leur faible coût et de leur rusticité. Ceci constitue donc un enjeu environnemental majeur en terme économique et de respect des normes environnementales dans cette région (voir chap.1 de (17)) et (19). Pour l’Europe on pourra consulter (18).

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5-2- PROCÉDÉ POTENTIELLEMENT CONCERNÉS « STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE »

Les procédés retenus pour le stockage d’énergie dans les dispositifs liés au transport concernent essentiellement les trois voies présentées dans le tableau suivant : l’énergie est stockée dans des batteries, des piles à combustible éventuellement assistées de super condensateurs. Les inductances et condensateurs sont utilisés dans les convertisseurs statiques pour le stockage transitoire durant le fonctionnement du convertisseur statique.

PROCEDE

DISPOSITIF ET CARACTÉRISTIQUES

REMARQUES

LOIS PHYSIQUES

LIÉES AUX PROCÉDÉS

MODÉLISATION DES

PROCÉDÉS ET CARACTÉRISATION

DES OUTILS MATHÉMATIQUES

UTILISES

SIMULATION

DES PROCÉDÉS

IMPACT LOCAL SUR L’ENVIRONNEMENT

1-Voie chimique piles batteries piles à combustible (3 7)

PAC

Stockage adapté aux systèmes embarqués (11) importance de la cyclabilité selon la technologie Applications statique et mobile Possibilité de cogénération en application statique (PAC)

Notions d’électrochimie Lois de l’électrocinétique Modèle électrique Z+FEM

Modélisation comportementale de type « circuit », influence de la température

Simulateur SPICE, SIMCAD, etc.. Simulateur type MATLAB

métaux lourds, produits chimiques

2-Voie électrostatique Condensateur Supercapacité (4, 13)

supercapacité

Les supercapacités nécessitent une électronique de puissance de gestion

Lois de l’électrostatique Electrocinétique Electronique de puissance : conversion DC-DC Lois de l’automatique linéaire

Modélisation de type « circuit » Intégrales, dérivées Equations différentielles du 1er et 2nd ordre Nombres complexes Opérateur de Laplace

Simulateur SPICE, SIMCAD, etc..

produits chimiques

3-Voie électromagnétique Inductance Boucle supra-conductrice : SMES, (15)

Lois de l’électromagnétisme Introduction à la supraconductivité Electronique de puissance : redressement, conversion DC-AC Lois de l’automatique linéaire

Modélisation de type « circuit » Intégrales, dérivées Equations différentielles du 1er et 2nd ordre Nombres complexes Opérateur de Laplace

Simulateur SPICE, SIMCAD, etc..

Rayonnement électromagnétique

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Comparaison des procédés Pour en savoir plus : (8),(9)

Comparaison des dispositifs de stockage : il faut pouvoir disposer d’outil de comparaison de performances énergétique pour déterminer un choix selon l’application. Le diagramme de Ragone est l’outil communément admis, il situe sur une échelle log-log, la puissance spécifique (W/kg) en fonction de l’énergie spécifique du dispositif de stockage (Wh/kg). La durée est parfois portée dans le diagramme sous la forme d’un réseau de droites iso-durées.

Exemple 1 : comparaison de technologies de batteries Exemple 2 : comparaison de différentes technologies de stockage

5-3 APPROCHE ÉCONOMIQUE EN TERME D’EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Pour en savoir plus : (10), (12), (14), le tableau illustre quelques procédés

PROCÉDÉ N°1 PROCÉDÉ N°2 PROCÉDÉ N°5

Exemple 1 : coût comparatif de différentes technologies de batteries

Exemple 2 : Coût du stockage SMES en fonction de la capacité

Optimisation économique du turbinage et du pompage selon les besoins de consommation et selon la ressource disponible

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6 - PROCEDES SUSCEPTIBLES D’UNE APPROCHE DIDACTIQUE FAVORABLE A LA DEMARCHE EXPERIMENTALE Les procédés 1, 2, 3 (sauf SMES), peuvent facilement faire l’objet de nombreuses maquettes didactiques à partir d’équipements industriels existants (alimentation sans coupure de PC, téléphone portable, baladeur, etc…)

7 - BIBLIOGRAPHIE : (1) Techniques de l’ingénieur, vol. D3 article N°3334 (2) B. Multon & al. “Le stockage associé à la production d’électricité en réseau”, GdR ME2MS, 16-17 oct. 2003 (3) http://nicoelro.ath.cx/pile/pile/types.php(4) http://www.ademe.fr/htdocs/actualite/comptes-rendus/Documents/forum3.pdf(5) http://www-drt.cea.fr/docs/liten/RA031209_light.pdf(6) http://lme.epfl.ch/Jahia/engineName/filemanager/site/lme/op/edit/pid/5330/Rufer.pdf(7) http://www.cea.fr/fr/Publications/clefs44/clefs4467.html(8) http://ecrin.asso.free.fr/pdf/energies.pdf(9) http://www.clubeea.org/documents/mediatheque/Stockage-Energie_3EI-1996.pdf(10) http://www.industrie.gouv.fr/energie/prospect/pdf/h2-coiffard.pdf(11) http://www.e-mobile.ch/pdf/2004/EPFL_Launatz.pdf(12) http://www.industrie.gouv.fr/energie/electric/cout-ref-4.pdf(13) http://leiwww.epfl.ch/publications/barrade_hotellier_rufer_belfort_02.pdf(14) http://www.industrie.gouv.fr/energie/prospect/textes/se_enjeux.htm(15) http://lanoswww.epfl.ch/studinfo/courses/cours_supra/smes/default.htm(16) http://www.vectrixusa.com/scooter/specs.html(17) http://www.spinglass.net/scooters/#writeup(18) http://www.ademe.fr/auto-diag/transports/rubrique/Publications/document/2r_gb.pdf(19) http://worldbank.org/transport/expopres/shah.ppt8- RÉGLEMENTATION LIMITÉE À L’APPLICATION : (à voir au ministère des transports et de l’industrie)

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