Stockage électrique dans l'automobile ( Stockage electrochimique )

Stockage de l’énergie électrique dans le secteur automobileAHAMED, CHARRIER, COUPPOUSSAMY, GOURLAN | GTE 1 TPC

| TUTEUR : M. DUPRAT

Projet Tutoré | 17/07/2016

Table de matière :

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▫ Introduction générale▫ Stockage électrochimique

-Définitions -Contexte historique Le Commencement L'Essor de l'électrochimie Du 20ème siècle à nos jours -Différents dispositifs électrochimiques Pile à combustible Les supercondensateurs Les accumulateurs

▫ Recherche et Innovation▫ Conclusion

Cadre de notre projet :

I am Jayden SmithI am here because I love to give presentations. You can find me at @username

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Aux usagers du voitures électriques

Stockage de l’énergie

électrique dans le secteur de l’automobile

Différentes technologies de stockage

A qui rend-il service ? Sur quoi agit- il ?

Dans quel but ?

Décentraliser l’émission de Co2 Alternative aux ressources

fossiles

Différents technologie existant:

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mécanique : (STEP), (CAES),

volants d'inertie

électrochimique et

électrostatique : batteries, piles à

combustible, supercondensateur

s

thermique et thermochimique : chaleur sensible ou

chaleur latente, énergie par absorption

chimique : hydrogène, etc...

Stockage de l'énergie

Stockage électrochimiqueLe stockage est un élément clé dans la chaine de production – gestion – utilisation de l’électricité.

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Définition :

▫ Méthode d’électrolyse : Réaction chimique avec courant externe fourni

▫ Réaction électrochimique : Courant électrique produit par une réaction chimique dans une batterie

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Partie de la chimie étudiant la transformation de l'énergie chimique en énergie électrique et inversement.

ions

Electrode + Electrode -

Electrolyte

Contexte historique :

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1) Le Commencement

Vers le milieu du 18ème siècle, le chimiste français Charles François de Cisternay du Fay: théorie 2 type d'électricités statiques

Vers la fin du 18ème siècle, Luigi Galvani : lien entre les réactions chimiques et l'électricité en étudiant les différences de potentiels dans les tissus animaux.

Contexte historique :

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2) L'Essor de l'électrochimie

En 1800, William Nicholson et Johann Wilhelm Ritter : décomposer l'eau en hydrogène et oxygène par électrolyse

3) Du 20ème siècle à nos jours

En 1923, Johannes Nicolaus Brönsted et Martin Lowry plubient une théorie sur les réactions acido-basiques, basé sur l'électrochimie.

William Nicholson Johann Wilhelm Ritter

Stockage électrochimiqueDifférents dispositifs électrochimiques : 1) Pile à combustible 2) Les supercondensateurs 3) Les accumulateurs

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1) Pile à combustible

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1839 : Découverte de la pile à combustible

Christian Schönbein

1839-42 : Réalisation de le première pile à

combustible

William R. Grove

Historique de la pile à combustible en quelques dates clés :

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« Une pile à combustible est un générateur électrochimique d'énergie permettant de

transformer directement l'énergie chimique d'un combustible (hydrogène, hydrocarburés,

alcools,...) en énergie électrique sans passer par l’énergie thermique. »


Schéma de fonctionnement d’une pile à combustible

Tension électrique : ~ 0,7 à 0,8 voltTempérature de fonctionnement varie de 60 à 200 °C

Il existe plusieurs types de piles à combustibles , les plus connues sont : • la pile à membrane échangeuse de protons, • la pile à oxyde solide.

Principe :

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Avantages : - Rendements élevés▫ - Silencieuses▫ -Sans pièce mobile▫ -Large spectre de

températures

▫ -EnvironnementInconvénients:

-Sécurité -Coût élevé


Pile à hydrogène Moteur thermique

Silencieux Bruyant

Rejet: vapeur d’eau Gaz d’échappements

Pile à hydrogène 97% moins polluante que le moteur thermique

T° : 70-1000 °C T° : 1000°C

Peu d’usure Usure

Tableau comparatif entre pile à hydrogène et Moteur thermique:

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Application : Toyota Mirai


2) Les supercondensateurs

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Les Super-Condensateur

Un condensateur : Permet de stocker l’électricité Les électrons sont transférés d’une électrode

a l’autre Champ électrique crée qui polarise la matière

a l’intérieur Charges et décharges quasi-instantanées

cependant faible volume de stockageCondensateur à double couches électrochimiques (EDLC ) ou Supercondensateur


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Comparaison structurale :



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Comment fonctionne un super condensateur ?▫ Eléments constituant un super

condensateur :

▫ Les collecteurs de courant font le lien entre la matière active et le circuit électrique extérieur.

▫ L'électrolyte est une substance conductrice contenant des ions mobiles.

▫ Le séparateur est utilisé pour éviter les court-circuit dans le système en isolant électroniquement les deux électrodes

▫ La matière active est le matériau poreux de l'électrode sur laquelle les ions sont adsorbés


Principe de fonctionnement-Formation d’une double couches électrochimique électrolyte/électrode-Stockage électrostatique de charges aux deux interfaces électrodes-électrolytes qui se comportent comme deux condensateurs en série.

-Le système restitue les charges accumulées avec une excellente efficacité▫ -Le volume de stockage des électrons est en effet augmenté

grâce a des matériaux qui offrent des volumes de stockage plus important


Quel sont les matériaux qu’ils faut ?

Une électrode susceptible de faire partie de la composition d'un supercondensateur doit réunir plusieurs qualités :

•une surface spécifique élevée ;•une bonne conductivité électronique ;•une solubilité négligeable dans l’électrolyte ;•une bonne conductivité ionique vis-à-vis des ions de l’électrolyte impliqués dans les réactions redox.

Quel sont les matériaux qu’ils faut ?


L'électrolyte :Trois types d'électrolytes liquides sont actuellement utilisés dans les

supercondensateurs : les électrolytes aqueux et organiques et les liquides ioniquesLa conductivité des électrolytes jouent un rôle essentiel dans la détermination des performances du supercondensateur. λ : Conductivité molaire ionique

C : Concentration molaire de l’espècez : Nombre de charge de l’ion


APPLICATION : ▫ -Le bus électrique à supercondensateur Watt

System « Charges ultra rapide »

▫ -Récupération d’énergie lors du freinage

▫ -Moteur électrique : Quant , Toyota , Volvo

▫ -Complément dans les voitures hybrides


3) Les accumulateurs

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3) Les accumulateurs

Définition :« On distingue typiquement la pile, système non rechargeable, dé l’accumulateur, système rechargeable.

Une batterie est un assemblage en série ou en parallèle de piles ou d’accumulateurs du même type. »

Différentes technologies de batteries :

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3) Les accumulateursPrincipe de fonctionnement et constituants d’une batterie

Lors de la charge, les réactions s’inversent. La composition de l’anode, celle de la cathode et celle de l’électrolyte sont les trois éléments qui déterminent le type de la batterie. Le choix des matériaux et leurs bonnes associations découlent les performances de la batterie.

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3) Les accumulateurs : Différentes technologies de batteries

1) Les batteries au Plomb (Pb) :

Deux types de batteries au plomb : les batteries « ouvertes », (électrodes en plomb ) les batteries « étanches », l'électrolyte peut être gélifié (sans entretien) Les variantes existantes des batteries au plomb : - Plomb-Acide - Plomb-Gel - Plomb-Silicone

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1- Les batteries au Plomb (Pb) : Avantages :- coûts moindre (entrée de gamme ) - pas d’effet mémoire

Inconvénients :

-faible quantité de stockage d'énergie,- dangereuse et polluante ,- masse importante.

Autodécharge quotidienne de 1% Perte d'autonomie jusqu'à -25% à -10°CRisque de cristallisation de sulfate de Pb

Cycle de charge/décharge : de 400 à 800. Durée de vie : 4 à 5 ans.

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2- Les batteries Nickel Cadmium (Ni-cd) :L'électrode en nickel oxyde hydroxyde et en cadmium.

Avantages -Charge simple et rapide-Grande durée de vie (nombre de cycle de charge et de décharge) et faible cout.

Inconvénients -auto-décharge assez rapidement (20% / mois) -effet pas mémoire -cadmium qui est un métal lourd et polluant -cycle de charge/décharge allant de 1500-2000. Une durée de vie : 2 à 3 ans.

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3- Les batteries Nickel Metal Hydride (Ni-mh)Similaires aux batteries Ni-Cd alliage qui absorbe l'hydrogène à la place du Cadmium : le nickel oxyhydroxide (NiOOH). Leur densité d'énergie est 1,5 fois plus élevé que pour les Ni-cd,

Les avantages -plus d'énergie que le Nickel-cadmium, -peu sensible à l'effet mémoire, -pollue pas comme le Nickel-cadmium

Les inconvénients

-ne supporte pas le dépassement de charge -il ne faut pas les décharger complètement. -Auto-décharge importante.

Elle a un cycle de charge/décharge allant de 800 à 1000 Une Durée de vie : 2 à 4 ans.

Très utilisée dans les voitures hybrides (Ex : la Toyota Prius )

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3- Les batteries Lithium

Trois technologies différentes pour ces accumulateurs : Li-métal, Li-ion et Li-polymère.

Li-ion :

Avantages -Densité d'énergie spécifique et volumique élevée (4 à 5 fois plus que le Ni-mh par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. -Faible auto-décharge

Inconvénients Prend feu sous l'effet d'un court-circuit ou même explose et s'use même quand on ne s'en sert pas, ne pas faire de décharges profondesCycle de charge/décharge allant de 500-1500 (selon les modèles) Une Durée de vie : 2 à 3 ans

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3- Les batteries Lithium (Li-ion)Trois technologies différentes pour ces accumulateurs : Li-métal, Li-ion et Li-polymère.

Lithium-Metal-Polymère (Li-Po) Avantages -prend des formes fines et variées-faible poids-plus de cycles de vie -pas d'effet mémoire-pas de risque d'explosion.

Inconvénient-densité énergétique plus faible que Li-ion, 110 Wh/kg

Couramment utilisées pour la fourniture d'énergie aux modèles réduits volants. Ex: AUTO LIB’

Stockage électrochimiqueRecherche et Innovation

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Recherche et innovation

Selon le CNRS, les thématiques de recherche dans ce domaine sont : ▫ Li-ion avancé :

-recherches sur les matériaux,-trouver d’autre formulation d’électrode, -expérimenter des nouveaux électrolytes. Stockage capacitif : - nouveaux matériaux,-améliorer les matériaux actif : nanostructures de carbones. ▫ Stockage Eco-compatible :

-approche éco-efficace, -biomimétique,-concevoir des électrodes renouvelable. ▫ Nouvelles chimies :

- maitrise des nouvelles technologies : Lithium air (Li-air), lithium–sulphur (Li-S), sodium-ion (Na-ion).

Conclusion• Le stockage électrique est nécessaire pour une

transition énergétique.• Opportunité de consommer autant, sans polluer

constamment.

Différentes exploitations

▫ Bien que ce soit quasiment le même principe d'utilisation, elles répondent toutes à nos besoins.

▫ Batteries Lithium pour l'automobile particulier.

▫ Super-condensateur mieux adaptés pour les autobus.

▫ Piles à combustible dont la consommation est verte et non polluante.

Face à l'avenir ▫ Des innovations restent à venir.▫ Des batteries plus performantes

et moins lourdes (smart).▫ Augmentation de l'autonomie

et récupération (freinage notamment).

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Education

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