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1
Le stockage supercapacitif
ASPROM / UIMM, Paris, 2013
Pascal VENET
pascal.venet@univ-lyon1.frASPROM / UIMM, Paris, 2013
Séminaire " Stockage de l'énergie, quelles technologies ?Pour quelles applications ? Pour quand ? »
2 PLANªPrésentation des supercondensateurs
ªApplications
ªRappel sur les supercondensateurs à double coucheélectrique
ªCaractérisation et modélisation
ªVieillissement et durée de vie
ªÉquilibrage
ªEvolutions à envisager
ªConclusion
3Présentation 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) 4Présentation 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
5Présentation 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
6ªDiagramme de Ragone
Présentation des supercondensateurs
Accumulateurs
Supercondensateurs
Sources de puissance
0,01 0,1 1 10 1001000
10000
10100100010000100000100000010000000
10 h 1 h 6 min 36 s 3,6 s
0,36 s
36 ms3,6 ms
0,36 ms
Puissance massique (W/kg)
Energie
massique (Wh/kg)Supercondensateurs
Condensateurs
PACBatteries
7Principaux avantages
Présentation des supercondensateurs
ªDensité de puissance élevée
ŃRXUMQPV ÓXVTX·j quelques
100 G·$ SRVVLNOHV
ªDurée de vie et nombre de
cycles élevé ( plusieurs100 000 cycles) par rapport
aux accumulateursPrincipaux inconvénients
ªTension par élément limitée
( 3 V)ªComportement non linéaire
ªComposants pouvant contenir
GH O·MŃpPRQLPULOH PR[LTXH
inflammable et explosif) 8Marché mondial
Présentation des supercondensateurs
ªEstimé à 470 M$ en 2010, prévu à 1200 M$ en 2015BCC Research, January 2011
9Électronique grand public :
ªSauvegarde de mémoire
ªApplications nécessitant de fortes " impulsions » de courantªAssiste les batteries dans les équipements
portatifsApplications des supercondensateurs
Tournevis avec superC :
rechargeable en 90 secondesCoupe tube : superC en // avec les
batteries Ö Réduction de la durée de coupe de 50 % www.maxwell.com www.garmanage.comSuperC 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 surOH GLVTXH "
10Applications 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 11Applications des supercondensateurs
Systèmes embarqués dans les transports terrestresªMicro hybrides (Stop & Start)
Système développé par PSA
Système e-HDi
Citroën C2, C3, C4, C5
Peugeot 208, 308, 508, 3008
12Applications des supercondensateurs
Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªMicro-hybride (Stop & Start) et alimentation d·auxiliairesMazda 6 système i-ELOOP
13Applications des supercondensateurs
Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªMild-hybride : récupération de l·énergie de freinage et assistance du moteur thermiqueMoteur diesel + superC
(WEC 2012 : 2ème aux 6 heures de Silverstone1er aux 6 heures de Sao Paulo et de Fuji)
Moteur diesel + superC
Bus Lion·s City de Man Toyota hybride TS030
14Applications des supercondensateurs
Systèmes embarqués dans les transports terrestres ªVéhicule électrique avec hybridation des sourcesMITRAC Bombardier
Catenaires + superC
Tramway Stadler Rail (Transports Publics Genevois)Catenaires + superC
Sans alimentation : autonomie de 400 et 1500 mètres 15Applications 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 :
17Électrodes en charbon actif
Électrolyte Séparateur
Cation de
O·pOHŃPURO\PH
Anion de
O·pOHŃPURO\PH
Charges
électroniques
GMQV O·pOHŃPURGH
Collecteur de
courant (feuillesG·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[\GRUpGXŃPLRQÉlectrolyte aqueux :
Conductivité élevée
Tension faible 1 V
I·pOHŃPURO\PH
)RUPMPLRQ MX[ LQPHUIMŃHV pOHŃPURGH VROLGH C pOHŃPURO\PH OLTXLGH G·XQH6PRŃNMJH 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 et16 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/gªAssemblage et connexion
Charbon
actifSéparateur Collecteur de courant
Languettes
Bobinage
Supercondensateurs à double couche électrique 21Méthodes de caractérisation des supercondensateurs
ªCaractérisation temporelle
Mesures temporelles en courant et tension
lors de charge ou/et déchargeAvantages :
Simplicité de mise en oeuvre
Fonctionnement du composant à des
niveaux de courant proches des applicationsInconvénients
Précision (méconnaissance des
différentes constantes de temps)ªCaractérisation fréquentielle
$SSOLŃMPLRQ G·XQH IMLNOH PHQVLRQ VLQXVRwGMOH superposée à une tension continue et analyseGH O·MPSOLPXGH HP GX GpSOMVMJH GX ŃRXUMQP
Avantages :
Précision
Connaissance du comportement
dynamique du composantInconvénients
1pŃHVVLPH XQ VSHŃPURPqPUH G·LPSpGMQŃH
Niveaux de courants injectés
Modèles simples Modèles riches Complémentarité 22Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique
Electrolyte
Electrode
Couche compacte
Couche diffuse
20002200
2400
2600
2800
3000
3200
00,511,522,53
U(V)Cdl (F)
Mesures
Relation
ªModélisation de la capacité de la double couche CdlKKCompdiffCompdluUchc
1 C 1 C 1 C 1 C 1 23Modélisation 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 elRCjCjRZP.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 ZpRs : résistances séparateur + électrolyte + électrodes + collecteurs + connexions + contact
L : inductance connexions et enroulements
24Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité
Mesures Modèle à
simple poreCircuit RLC f = 10 mHz
f 50 Hz f 1 kHz f Ê R L CModèle à simple pore
Rs L Cdl/2 R1 Cdl/2 R2 Cdl/2 Rn Cdl 2 el1R2R .22 el22 R2R .22 elnn R2RCircuit RLC
25ªModèles 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 30102030t (s)
U (V)Charge Décharge Repos
Mesures
Modèle à
simple poreMesures Modèle à
simple poreCircuit RLC f = 10 mHz
f 50 Hz f 1 kHz Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 26ªModèles 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 différentesCdl2/2
R21Cdl2/2
R22Cdl2/2
R2n Cdl2Cdl3/2
R31Cdl3/2
R32Cdl3/2
R3n Cdl3 22eliijj R2R Rs L
Cdl1/2
R11Cdl1/2
R12Cdl1/2
R1nCdl1 Classe de pores
correspondant à Zp1Classe de pores
correspondant à Zp2Classe de pores
correspondant à Zp3 Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 27ªModèles prenant en compte la distribution volumique de la capacité
Modèle multi-pores
f = 10 mHz f = 1 kHz + MesuresModèle multi-pores
Caractérisation
fréquentielle Modélisation des supercondensateurs à double couche électrique 28f = 10 mHz f = 10 kHz