Fonction ALIMENTER Le stockage de l’énergie électrique

1. Fonction ALIMENTERLe stockage de l’énergie électrique Terminale SI JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

2. Introduction • L’énergie électrique est largement utilisée dans de nombreux domaines • Elle se partage pour l’essentiel la fourniture d’énergie avec les énergies fossiles : charbon, pétrole et gaz. JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

3. Introduction • Les énergies fossiles se stockent facilement, avec une énergie massique importante : 2.3 kW.h /kg • Alors que l’électricité se stocke très difficilement : • Indirectement sous forme d’énergie potentielle dans des barrages (E=Mgh). • Directement dans des batteries, mais avec un coût très important : 500 à 1000€ / kWh de capacité de stockage • Et surtout possède une énergie massique de 200 W.h/kg au mieux (Li-ion), soit dix fois moins que le pétrole… On oublie les batteries plomb à 25 W.h/kg. • Cela explique le succès du pétrole dans les applications mobiles embarquant de l’énergie (automobile et aéronautique). JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

4. Introduction • Mais cela va changer… • Le CEA parle de 1.7 kW.h/kg pour la batterie Li-Air en laboratoire et jusqu’à 5.4kW.h/kg en théorie !!! • Pour avoir un ordre d’idée, une telle batterie de 20kg suffirait à un véhicule électrique pour parcourir 800km !!! • Le kW.h électrique peut être produit par des énergies renouvelables à 15 ct / kW.h, sur place… et stockées dans le parc de batteries en charge (projet Better Place) • Contre 43 ct / kW.h pour le pétrole (base 1€/litre) et c’est parti pour augmenter… • Le moteur thermique a un rendement de 40% au mieux (source IFP) • contre 90% pour le véhicule électrique. • Sans parler de la quasi absence de maintenance pour ce dernier (1 millions de km). JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

5. Définitions • Le terme batterie désigne en fait une batterie d’accumulateurs électriques. • Pour stocker de l’énergie électrique, on utilise un couple électrochimique, caractérisé entre autres par la tension d’un élément. • Exemples : • plomb/acide : 2.25 V • Ni – Mh : 1.2 V • Li – Ion : 3.6 V JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

6. Définitions • Une batterie donnée, aura donc pour pour tension un multiple de la tension d’un de ses élements. • Par exemple, on utilise 6 élements de 2.25V en série pour fabriquer une batterie de tension à vide E = 13.5V • Pour caractériser la batterie, on doit aussi connaître la charge électrique embarquée Q en A.h. (en physique, l’unité SI est le Coulomb). • l’énergie embarquée dans la batterie est donc • W= Q . E. Exemple : Q = 100A.h et E=27V • Néanmoins, on caractérise de plus en plus une batterie directement par son énergie embarquée en W.h ou en kW.h. JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

7. Exercice • On souhaite fabriquer une batterie Li-ion d’au moins 10kW.h et de 300V à partir d’éléments de 3.7V / 16.7 A.h • Réponse : • Chaque élément a une énergie de We=20*3.7=74 W.h il faudra au moins Nt=Wt/We=162 éléments au total. • la tension requise est de 300V. Il faudra mettre N=300/3.7=81 éléments en série. JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

8. Caractéristiques des batteries • Les caractéristiques principales d’une batterie sont sa tension et sa quantité d’énergie stockée. • Les caractéristiques principales d’une technologie de batterie sont : la tension du couple électrochimique et la densité d’énergie massique. • Le tableau comparatif suivant indique d’autres caractéristiques…. JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

9. Caractéristiques des batteries • La densité volumique d’énergie massique, le volume occupé par la batterie pour une quantité d’énergie • La puissance massique : à tension donnée, c’est le courant maximum que la batterie supportera. Les voitures de sport électriques (Tesla: voiture des stars) demandent de la puissance… en plus d’aller loin. • Durée de vie exprimée en nombre de cycles de charge / décharge (1000 au mieux) • Autodécharge : quantité d’énergie perdue par la batterie en cas de non utilisation. JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade

10. Comparatif des technologies Pour mémoire : 2300 W.h / kg pour le pétrole JC PAPAZIAN – Lycée Fourcade