[PDF] Présentation PowerPoint Applications. Rappel sur les supercondensateurs à

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1

Le stockage supercapacitif

ASPROM / UIMM, Paris, 2013

Pascal VENET

pascal.venet@univ-lyon1.fr

ASPROM / UIMM, Paris, 2013

Séminaire " Stockage de l'énergie, quelles technologies ?

Pour quelles applications ? Pour quand ? »

2 PLAN

ªPrésentation des supercondensateurs

ªApplications

ªRappel sur les supercondensateurs à double couche

électrique

ªCaractérisation et modélisation

ªVieillissement et durée de vie

ªÉquilibrage

ªEvolutions à envisager

ªConclusion

3

Présentation des supercondensateurs

Supercondensateur =

Supercapacité,

Condensateur à double couche électrique,

Electrical Double Layer Capacitor (EDLC),

Supercapacitor,

Ultracapacitor,

Gold capacitor,

Electrochemical capacitor,

Supercondensateurs = composants à supercapacité : de quelques F à quelques milliers de F (à comparer avec quelques mF à quelques dizaines de mF pour les gros condensateurs électrolytiques) 4

Présentation des supercondensateurs

Maxwell 10 F, 2,5 V

Maxwell, 5 F à 150 F, 2,7 V

VinaTech de 1,5 F à 350 F, 2,5 V / 2,7 V / 3V

Kamcap

300F, 2,7 F

5

Présentation des supercondensateurs

Batscap

2600 F, 2,7 V

Maxwell

3000 F, 2,7 V

Nesscap 5000 F, 2,7 V

Skelcap 320F à 3500 F, 2,85 V

LS Mtron 3000 F, 2,8 V

6

ªDiagramme de Ragone

Présentation des supercondensateurs

Accumulateurs

Supercondensateurs

Sources de puissance

0,01 0,1 1 10 100
1000
10000

10100100010000100000100000010000000

10 h 1 h 6 min 36 s 3,6 s

0,36 s

36 ms

3,6 ms

0,36 ms

Puissance massique (W/kg)

Energie

massique (Wh/kg)

Supercondensateurs

Condensateurs

PAC

Batteries

7

Principaux avantages

Présentation des supercondensateurs

ªDensité de puissance élevée

ŃRXUMQPV ÓXVTX·j quelques

100 G·$ SRVVLNOHV

ªDurée de vie et nombre de

cycles élevé ( plusieurs

100 000 cycles) par rapport

aux accumulateurs

Principaux inconvénients

ªTension par élément limitée

( 3 V)

ªComportement non linéaire

ªComposants pouvant contenir

GH O·MŃpPRQLPULOH PR[LTXH

inflammable et explosif) 8

Marché mondial

Présentation des supercondensateurs

ªEstimé à 470 M$ en 2010, prévu à 1200 M$ en 2015

BCC Research, January 2011

9

Électronique grand public :

ªSauvegarde de mémoire

ªApplications nécessitant de fortes " impulsions » de courant

ªAssiste les batteries dans les équipements

portatifs

Applications des supercondensateurs

Tournevis avec superC :

rechargeable en 90 secondes

Coupe tube : superC en // avec les

batteries Ö Réduction de la durée de coupe de 50 % www.maxwell.com www.garmanage.com

SuperC pour alimentation flash à LED

d·appareil photo, de smartphone "

Appareil photo numérique : superC en //

avec des batteries pour les assister lors des demandes de puissance liées à l·activité du microprocesseur, écriture sur

OH GLVTXH "

10

Applications des supercondensateurs

Airbus A380

ªOuverture d'urgence des portes de l·avion

(configuration redondante des cellules)

Orientation des pales d·éolienne

ªMaintenance minimale

ªGamme de température de -40 à 65C

Système de stockage stationnaire SITRAS ®

ªRécupération de l·énergie de freinage de tramways (320 MWh/an).

ªStabilisation de la tension de réseau

Grues ªRécupération de l·énergie de freinage www.maxwell.com www.garmanage.com 11

Applications des supercondensateurs

Systèmes embarqués dans les transports terrestres

ªMicro hybrides (Stop & Start)

Système développé par PSA

Système e-HDi

Citroën C2, C3, C4, C5

Peugeot 208, 308, 508, 3008

12

Applications des supercondensateurs

Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªMicro-hybride (Stop & Start) et alimentation d·auxiliaires

Mazda 6 système i-ELOOP

13

Applications des supercondensateurs

Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªMild-hybride : récupération de l·énergie de freinage et assistance du moteur thermique

Moteur diesel + superC

(WEC 2012 : 2ème aux 6 heures de Silverstone

1er aux 6 heures de Sao Paulo et de Fuji)

Moteur diesel + superC

Bus Lion·s City de Man Toyota hybride TS030

14

Applications des supercondensateurs

Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªVéhicule électrique avec hybridation des sources

MITRAC Bombardier

Catenaires + superC

Tramway Stadler Rail (Transports Publics Genevois)

Catenaires + superC

Sans alimentation : autonomie de 400 et 1500 mètres 15

Applications des supercondensateurs

Bus Sinautec (Chine) (en recharge)

Bus 100% électrique

SuperC

Train Zhuzhou Electric Locomotive (Chine)

100% électrique

SuperC

Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªVéhicule électrique rechargeable en stations (biberonnage) 16 Supercondensateurs à double couche électrique ª3MV GH GLpOHŃPULTXH PMLV SUpVHQŃH G·XQH GRXNOH ŃRXŃOH pOHŃPULTXH jouant ce rôle ªCapacité non linéaire et modèles comportementaux spécifiques ªCapacité se dégradant rapidement en fonction de la fréquence ŃRPSRVMQP UpVHUYp MX GRPMLQH H[ŃOXVLI GX VPRŃNMJH G·pQHUJLH ªde leur grande surface spécifique (cf. ci-dessous) ªdu faible coût, de la matière première et du procédé industriel de fabrication. Supercondensateurs à électrodes en charbon actif les plus développés industriellement compte tenu :

Particularités des supercondensateurs :

17

Électrodes en charbon actif

Électrolyte Séparateur

Cation de

O·pOHŃPURO\PH

Anion de

O·pOHŃPURO\PH

Charges

électroniques

GMQV O·pOHŃPURGH

Collecteur de

courant (feuilles

G·MOXPLQLXP

Supercondensateurs à double couche électrique (Credit: EnerG2) 18 Supercondensateurs à double couche électrique ªPour éviter le contact entre les deux électrodes et donc le court- circuit ªConducteur ionique et isolant électronique poreux afin de faciliter le transfert ionique de l'électrolyte vers les électrodes.

ªA base de polymère ou de papier.

Le séparateur :

19 Supercondensateurs à double couche électrique Par principe même, la tenue en tension de ce composant est limitée à TXHOTXHV YROPV GpŃRPSRVLPLRQ GH O·pOHŃPURO\PH SMU R[\GRUpGXŃPLRQ

Électrolyte aqueux :

‡ Conductivité élevée

‡ Tension faible 1 V

I·pOHŃPURO\PH

)RUPMPLRQ MX[ LQPHUIMŃHV pOHŃPURGH VROLGH C pOHŃPURO\PH OLTXLGH G·XQH

6PRŃNMJH G·pQHUJLH pOHŃPURVPMPLTXH SMV GH UpMŃPLRQ ŃOLPLTXH

Électrolyte organique (Acétonitrile) :

‡ Conductivité plus faible

‡ Tension plus élevée 3 V

Inflammable et explosif

(lorsque la concentration atteint entre 3 et

16 GX YROXPH GH O·MLU

20 ªCapacité du supercondensateur de nature volumique Epaisseur de la double couche de quelques nanomètres Surface des électrodes de qq centaines m2/g à 3000 m2/g

ªAssemblage et connexion

Charbon

actif

Séparateur Collecteur de courant

Languettes

Bobinage

Supercondensateurs à double couche électrique 21
Méthodes de caractérisation des supercondensateurs

ªCaractérisation temporelle

Mesures temporelles en courant et tension

lors de charge ou/et décharge

Avantages :

Simplicité de mise en oeuvre

Fonctionnement du composant à des

niveaux de courant proches des applications

Inconvénients

Précision (méconnaissance des

différentes constantes de temps)

ªCaractérisation fréquentielle

$SSOLŃMPLRQ G·XQH IMLNOH PHQVLRQ VLQXVRwGMOH superposée à une tension continue et analyse

GH O·MPSOLPXGH HP GX GpSOMVMJH GX ŃRXUMQP

Avantages :

Précision

Connaissance du comportement

dynamique du composant

Inconvénients

1pŃHVVLPH XQ VSHŃPURPqPUH G·LPSpGMQŃH

Niveaux de courants injectés

Modèles simples Modèles riches Complémentarité 22
Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique

Electrolyte

Electrode

Couche compacte

Couche diffuse

2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200

00,511,522,53

U(V)

Cdl (F)

Mesures

Relation

ªModélisation de la capacité de la double couche Cdl

KKCompdiffCompdluUchc

1 C 1 C 1 C 1 C 1 23
Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Modèle à simple pore

+\SRPOqVH VXU OH VPUXŃPXUH GH O· pOHŃPURGH SRUHXVH eldl dl elRCjCj

RZP.coth..Z

Cdl : capacité de la double couche

Rel UpVLVPMQŃH OLpH j O·MŃŃHVVLNLOLPp GHV SRUHV SMU O·pOHŃPURO\PH Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdl 2 el1R2R .22 el22 R2R .22 elnn R2R Zp

Rs : résistances séparateur + électrolyte + électrodes + collecteurs + connexions + contact

L : inductance connexions et enroulements

24
Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Mesures Modèle à

simple pore

Circuit RLC f = 10 mHz

f 50 Hz f 1 kHz f Ê R L C

Modèle à simple pore

Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdl 2 el1R2R .22 el22 R2R .22 elnn R2R

Circuit RLC

25
ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Modèle à simple pore

Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdl 2 el1R2R .22 el22 R2R .22 elnn R2R 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0102030t (s)

U (V)

Charge Décharge Repos

Mesures

Modèle à

simple pore

Mesures Modèle à

simple pore

Circuit RLC f = 10 mHz

f 50 Hz f 1 kHz Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 26
ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Modèle multi-pores

Prise en compte du phénomène de redistribution en considérant différentes classes de pores de pénétrabilités différentes

Cdl2/2

R21

Cdl2/2

R22

Cdl2/2

R2n Cdl2

Cdl3/2

R31

Cdl3/2

R32

Cdl3/2

R3n Cdl3 22
eliijj R2R Rs L

Cdl1/2

R11

Cdl1/2

R12

Cdl1/2

R1n

Cdl1 Classe de pores

correspondant à Zp1

Classe de pores

correspondant à Zp2

Classe de pores

correspondant à Zp3 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 27
ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Modèle multi-pores

f = 10 mHz f = 1 kHz + Mesures

Modèle multi-pores

Caractérisation

fréquentielle Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 28
f = 10 mHz f = 10 kHz

Mesures

Modèle simple

pore modifié ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité

Modèle simple pore modifié

Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdl 2 el1R2R .22 el22 R2R .22 elnn R2R Rr Cr Rp

En BF = Prise en compte du phénomène

de redistribution des charges et de la dispersion de la taille des pores avec Rr Cr

En HF = Prise en compte de

O·HIIHP GH SHMX

Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 29

ªModélisation temporelle

Modèle à 2 branches

Rr Cr Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdlquotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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