Action Concerte ENERGIE

CNRS Ministre de la Recherche avec la participation de la DGA

Programme Energie

GAT 5 Rseaux et stockage de llectricit Projet exploratoire Stockage

Rapport final

Rappel : Description courte du Projet Alors que le dveloppement de la production dcentralise dnergie lectrique pour les applications nomades (vhicules) ou domestiques est inluctable, linsertion alatoire de sources souvent intermittentes (olien, solaire photovoltaque .) implique la disponibilit de moyens qui permettent le stockage de llectricit en quantit suffisante dans des conditions dexploitation et de cot compatibles avec un usage industriel, ce qui nest pas le cas aujourdhui . Il y a donc au niveau du stockage un verrou au dveloppement de ces nouvelles technologies de lnergie. Le but de ce programme exploratoire tait danalyser les diffrents composants utilisables et de retenir les plus prometteurs afin de choisir un nombre restreint de filires pour les proposer dans le cadre dune action concerte qui serait propose en 2004 par le GAT. Malheureusement, lvolution du programme Energie pour 2004 na pas permis cette poursuite dtudes. Le travail du groupe de projet exploratoire a t affin au cours dune runion en Octobre 2003. Il a t dcid de se limiter aux types de stockage proches des problmatiques du vecteur lectricit et de la PEDR : Stockage lectrochimique, y compris les batteries au Pb dont le comportement nest pas encore entirement caractris dautant plus que de nouvelles technologies sont en cours de dveloppement, Stockage inertiel, facilement coupl aux machines lectriques et de dvelopper les problmes de modlisation.

Partenaires du Projet

Laboratoire (pas de sigle) Ville

Coordinateur

Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble pour le compte du GAT : Y. BRUNET

Grenoble

Laboratoires Partenaires

Laboratoire dlectrochimie et de physico-chimie des matriaux et interfaces LEPMI : P. OZIL Laboratoire dlectrotechnique et dlectronique industrielle LEEI : Y. CHERON Systmes et Applications des technologies de linformation et de lnergie SATIE : B.MULTON Centre Interuniversitaire de recherche et dIngnierie sur les Matriaux (CIRIMAT) : S. CARILLO

Grenoble Toulouse Cachan/ Rennes Toulouse

PE 2

Partie travaux SATIE 2003-2004 (B.Multon) Volants dinertie et stratgie de gestion du stockage Volants dinertie (FES : Flywheel Energy Storage)

Ltude a port sur la conception et ltude dun accumulateur lectromcanique dnergie pour des applications stationnaires, longue dure de vie, bas cot global (investissement et fonctionnement) et relativement longue constante de temps (1 heure, alors que le secteur dapplication des FES est plutt orient vers les dcharges de quelques min). Un nouveau concept de moteur-gnrateur, rpondant aux contraintes de cette application volant acier, a t dvelopp (brevet international CNRS) et a fait lobjet de recherches sur sa modlisation, son optimisation et sa commande. Le moteur/gnrateur est constitu dune partie bobine fixe dans lentrefer, le fer est tournant, mais fixe par rapport au champ tournant. Le choix de la technologie circuit imprim de puissance pour la ralisation du bobinage dans lair permet une optimisation aise de la rpartition des forces magntomotrices. Par son aspect modulaire, la ralisation et le montage du bobinage complet son simples. En revanche, des tudes comparatives ont montr un mauvais taux de remplissage volumique et donc des pertes Joule importantes relativement une structure bobinage filaire classique .

Volant dinertie et moteur-gnrateur monts sur paliers billes

Pour lvaluation et loptimisation des performances globales du dispositif, une modlisation semi-analytique 2D, fonde sur des modles de permances superficielles, a montr son efficacit en termes de prcision et dintgration un outil doptimisation de type stochastique. Lapproche a t tendue au dimensionnement de lensemble des actionneurs champ axial. Le choix dune excitation bobine offre un degr de libert supplmentaire sur loptimisation de lensemble convertisseur-machine, permettant damliorer sensiblement le rendement pour les fonctionnements faibles couples par rapport aux machines aimants. Une tude doptimisation combinant gomtrie et commande, ralise partir dune machine simplifie o les bobinages sont reprsents par des nappes de courant, a permis de dgager les premires tendances en terme de dimensionnement dans le cadre dun fonctionnement pertes minimales. Concernant le guidage mcanique, compte tenu des vitesses de rotations leve et de la ncessit de minimiser les pertes mcaniques, le choix sest tout dabord orient vers des systmes magntiques semi-passifs (aimants permanents et bobine contrle en courant). Les tudes menes, dans le cadre du projet, par une quipe du LEG (J. Delamarre et F. Faure), ont mis en vidence des problmes imprvus dinstabilits dues des phnomnes de courants induits. Une solution moins performante mais plus simple de suspension hybride utilisant des paliers billes assists par un dispositif magntique aimants totalement passif a t tudie. Le

dimensionnement effectu montre que lutilisation dune couronne aimante en matriaux ferrites (0.75 T, largeur de 15 mm, paisseur de 10 mm) suffit sustenter la masse du volant. Cette solution na pas fait lobjet de tests.

Une partie des travaux, mens en collaboration avec des mcaniciens, ont port sur le dimensionnement en fatigue du volant dinertie (Thse C. KERZREHO).

Erreur ! Des objets ne peuvent pas tre crs partir des codes de champs de

mise en forme.

Erreur ! Des objets ne peuvent pas tre crs partir des codes de champs de mise en forme.

Sustentation simple par aimant avec guidage assur par paliers billes Gestion du stockage de consommateurs coupls au rseau et ilotables

Ltude a port sur un systme dans lequel une multitude de petits systmes de production lectrique (quelques kW quelques 10 kW) exploitent les ressources renouvelables disponibles localement associs des moyens de stockage. Nous y avons ajout une qualit supplmentaire, celle de lilotage (capacit fonctionner de faon autonome, ventuellement en rgime de puissance et/ou consommation rduites, selon les investissements effectus).

Linconvnient majeur de ces dispositifs, outre leur cot actuel encore prohibitif, rside dans linadquation production/consommation instantanes. Dans les systmes autonomes, ce problme est rsolu grce un accumulateur lectrochimique. En situation normale de connexion un rseau, la mutualisation des ressources et la diversit des consommateurs produisent un effet de lissage bnfique mais encore insuffisant.

Nous pensons, et cest l une originalit de ce travail, quun stockage prsent sur le lieu de production, donc fortement dcentralis lchelle du rseau, prsenterait deux avantages, la fois pour le gestionnaire rseau et pour de tels consommateurs-producteurs :

- dune part, un meilleur dimensionnement des installations de distribution et de transport ainsi que de nouvelles possibilits de pilotage par le gestionnaire rseau dun tel systme de stockage dcentralis, mme si cela nest pas envisageable dans le dispositif conomique actuel ;

- dautre part, une trs grande scurit dapprovisionnement des consommateurs qui pourraient siloter sans difficult, dans un systme lectrique qui, bien quactuellement trs fiable, reste stratgiquement trs vulnrable.

Cest sur loptimisation technico-conomique dun tel systme de production-stockage que nous avons dmarr nos travaux. Une premire thse (Olivier GERGAUD, dec. 2002) a permis de mettre en place des modles, de raliser les premires optimisations ainsi que lever les points durs. Nous avons pu ainsi dgager une problmatique particulirement intressante sur la gestion prdictive de lnergie stocke en exploitant des donnes mtorologiques. La thse de Gal ROBIN exploite les mthodes de lintelligence artificielle (collaboration IRISA et Direction interrgionale Ouest de Mto-France). Nous projetons dtudier prochainement le potentiel daccumulateurs lectromcaniques inertiels dans de telles applications de stockage distribu.

Des tudes prliminaires de stratgie de gestion optimale ont t faites. La figure ci-dessous simule une situation dcrtage dun consommateur non producteur. Lobjectif est doptimiser le cot total lorsque lon rduit la puissance crte prleve au rseau 3 kW pour un utilisateur consommant jusqu 6 kW. Pour mettre en vidence les effets de la stratgie de recharge, nous avons compar deux cas, lun en recharge rapide la puissance maximale disponible (pour ne pas dpasser la puissance crte souscrite), lautre avec une puissance limite 1 kW. On constate,

dans le premier cas, une perte dnergie de 6 kWh au bout dune journe alors que, dans le second, cette perte chute 4 kWh. Ces tudes font partie des travaux de la thse de G. ROBIN).

Recharge de laccumulateur puissance maximale disponible

Recharge de l'accumulateur puissance limite

(1kW) Publications SATIE 2003-2004 relatives au stockage : B. MULTON, Le stockage dlectricit. Pourquoi, o, comment ? Quid du "stockage haute densit nergtique pour le tertiaire" ? , Runion CNRS programme nergie GAT Rseaux et Stockage de l'Electricit 17 avril 2003, Grenoble. N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, C. KERZREHO, J. DELAMARE, F. FAURE, Flywheel energy storage systems in hybrid and distributed electricity generation, Papier invit au congrs PCIM, Nrnberg, May 2003. B. MULTON, J. RUER Stocker llectricit :oui, cest indispensable et cest possible. Pourquoi, o, comment ? , Publication ECRIN en contribution au dbat national sur lnergie, avril 2003, tlchargeable : http://www.ecrin.asso.fr/energies/ O. GERGAUD, G. ROBIN, B. MULTON, H. BEN AHMED Energy Modeling of a Lead-Acid Battery within Hybrid Wind/Photovoltic Systems, EPE 2003 (European Power Electronics Conf.), Toulouse, Sept. 2003. B. MULTON, G. ROBIN, H. BEN AHMED, O. GERGAUD, N. BERNARD Le stockage associ la production dlectricit en rseau. Pourquoi, o, comment ? Travaux de SATIE , GdR ME2MS, Groupe Production dEnergie Dcentralise, Sophia Antipolis, 16-17 octobre 2003. G. ROBIN, O. GERGAUD, N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON Problmatique du stockage d'nergie situ chez le consommateur connect au rseau Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, dc. 2003. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON

Design and Modelling of a Slotless and Homopolar Axial-Flux Synchronous Machine for a Flywheel Accumulator IEEE Trans. Industry Applications, Vol. 40, Issue 3, May-June 2004, pp. 755- 762. B. MULTON, G. ROBIN, E. ERAMBERT, H. BEN AHMED Stockage de lnergie dans les applications stationnaires Colloque Energie lectrique : besoins, enjeux, technologies et applications, Belfort, 18 juin 2004, 12p.

Partie travaux LEPMI 2003-2004 (Y.Bultel, P.Ozil) Modles dynamiques pour optimiser une Pile combustible (PAC), couple ou non sur le rseau. Modles lectrochimiques de piles combustibles .1 : Etat de lart :

La premire PAC (.William GROVE 1840) fonctionnait lhydrogne et loxygne, basse temprature, avec des lectrodes de platine et de lacide sulfurique comme lectrolyte. Ds 1855, de nouveaux types de PAC, fonctionnant haute temprature et utilisant des lectrolytes fondus, furent mis au point. Mais les rsultats restrent modestes. Ltat actuel des connaissances permet aujourdhui d'affirmer que la technologie est proche de la maturit, condition que certains problmes technologiques soient surmonts pour la rendre comptitive, fiable et sre.

Une PAC convertit directement lnergie interne dun combustible en nergie lectrique, en utilisant un procd lectrochimique contrl. Les rendements thoriques attendus sont trs levs, et les sous produits trs peu polluants. Elle met en jeu un combustible (hydrogne, mthanol, monoxyde de carbone...) et un comburant (gnralement de loxygne pris dans lair). Elle est compose de lassemblage de cellules lmentaires, qui comportent une chambre cathodique (alimente en comburant) et une chambre anodique (alimente en combustible), spares par deux lectrodes (qui canalisent les lectrons), et un lectrolyte intermdiaire, solide ou liquide suivant le type de pile. Une PAC se diffrencie des autres accumulateurs lectrochimiques par le fait que les ractifs sont renouvels et les produits vacus en permanence. Contrairement une pile classique dont les matriaux d'lectrode sont consommables, la PAC possde une structure (lectrodes, lectrolyte et sites ractifs) invariante dans le temps. Il ne reste donc qu' fournir en permanence des ractifs (combustible et comburant) et vacuer les produits de la raction (eau, chaleur et lectricit). Les PAC peuvent tre classes en 6 catgories (voir tableau). Ces piles se diffrencient par la nature des matriaux utiliss (lectrolyte, lectrode, matriaux dinterconnexion, etc.) et donc intrinsquement par leur temprature de fonctionnement, leur architecture et leurs domaines d'application. Par ailleurs, chaque pile requiert des exigences diffrentes en terme de combustibles. Les domaines d'application pour les PAC vont du portable (tlphone, etc.), au stationnaire en passant par lapplication au vhicule lectrique. Le principe de fonctionnement des PAC est bas sur deux demi-ractions spares doxydation anodique et de rduction cathodique:

H2 2 H+ + 2 e- O2 + 2 H+ + 2 e- H2O

et inclut des mcanismes de transport et transfert de matire (H2, O2,) et de charge (H+, e-). Les modles lectrochimiques de PAC ont pour objectif de permettre une meilleure comprhension des phnomnes physico-chimiques et du rle des matriaux et interfaces. Ils permettent gnralement de prdire les caractristiques courant-tension et des spectres dimpdance lectrochimiques. Toutefois peu de modles sont labors en vue dune extrapolation d'chelle. .2. Modles de reprsentation :

En rgime permanent, des quations algbriques simples ont t proposes pour rendre compte des performances de piles combustible (courbes courant - tension) en fonction des conditions de fonctionnement (Pression, Temprature, etc.). Ces modles incluent gnralement une description macroscopique des surtensions dactivation et de concentration aux lectrodes et de la chute ohmique ionique et font appels des paramtres obtenus par ajustement paramtrique.

Lintrt de ces modles reste trs limit et ils ne permettent pas dextrapoler le comportement des piles combustible.

Type de pile AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC

Nom Alkalin Fuel Cell

Polymer Exchange

Membran Fuel Cell

Direct Methanol Fuel

cell

Phosphoric Acid Fuel

Cell

Molten Carbonate Fuel Cell

Solid Oxyd Fuel Cell

Electrolyte Solution KOH Membrane polymre

conductrice de protons

Membrane polymre

conductrice de protons

Acide phosphorique

Li2CO3 et KCO3 fondu

dans une matrice LiAlO2

ZrO2 et Y2O3

Ions dans l'lectrolyte

OH- H+ H+ H+ CO32- O2-

Niveau de temprature

60-80C 60-100C 60-100C 180-220C 600-660C 700-1000C

Combustible H2 H2 (pur ou reform)

Mthanol H2 (pur ou reform)

H2 (pur ou reform)

H2 (pur ou reform)

Oxydants O2 (pur) Air Air Air Air Air Domaines d'application

Spatial Automobiles, Portable,

Cognration, Maritime

Portable Cognration Cognration Production centralise

d'lectricit, Maritime (?)

Cognration Production centralise d'lectricit Automobile

(APU), Maritime (?)

Niveau de dvpt

Utilise Prototypes Prototypes Technologie mre

Prototypes Prototypes

Limpdance lectrochimique est trs largement utilise pour tudier les piles

combustibles. Des circuits quivalents, bass sur des observations exprimentales (spectres dimpdance lectrochimique), reprsentent le comportement dlectrode, dlectrolyte ou de cur de PAC. Ainsi, les circuits lectriques quivalents sont utiliss pour ajuster des spectres dimpdance lectrochimique dlectrodes de piles combustible afin dapprhender qualitativement le mcanisme ractionnel ou pour dterminer des paramtres lectrochimiques globaux (capacit de double couche, rsistance de polarisation ou dlectrolyte, etc.). Ces mmes circuits ont permis de dcrire les processus lectrochimiques dun fonctionnement de cur de pile combustible PEMFC : Anode/Membrane/Cathode Linterprtation des spectres dimpdance lectrochimique demeure complexe et l'approche simplifie par des circuits lectriques quivalents offre un cadre d'applications limit. .3. Modles de connaissance : Des modles de connaissance ont t labors de lchelle microscopique du contact triple (sige de la raction lectrochimique) jusqu lchelle macroscopique du cur de PAC. ! Des modles physico-chimiques ont t proposs pour discerner qualitativement et

quantitativement les mcanismes ractionnels. Les mcanismes de transports de matire et de charge doivent tre pris en compte afin de dcrire correctement le comportement des lectrodes volumiques A partir de rsultats exprimentaux en rgime permanent ou

d'impdances lectrochimiques, il a t possible d'valuer des paramtres cintiques, des paramtres de transport ou des caractristiques de mcanismes ractionnels. En parallle, des modles similaires ont t proposs en vue d'optimiser les performances des lectrodes , par exemple en assurant un gradient de rpartition des catalyseurs. Cependant, la complexit des phnomnes mis en uvre dans ces processus rend parfois dlicate linterprtation des rsultats exprimentaux.

! Lassemblage des modles microscopiques dlectrodes volumiques ont permis, en intgrant le comportement de llectrolyte, de dvelopper des modles de cur de piles combustible prenant en compte les distributions de gaz ractifs et produits de lentre jusqu la sortie des systmes. Malgr l'importance de leffet dchelle peu de modles sont consacrs ltude de linfluence de la gomtrie des piles combustible. La plupart de ces modles simplifient fortement les processus lectrochimiques aux lectrodes en les assimilant de simples interfaces. En consquence, ces modles dj complexes, bass sur une description fine des processus physico-chimiques demeurent insuffisants dans la mesure ou certain processus sont encore mal connus tel que les transports de leau dans les PEMFC

Tous ces modles dcrivent le comportement de PEMFC en rgime permanent ou d'impdances lectrochimiques. Trs peu de modles sont consacrs au comportement en rgime transitoire et utilisent des quations empiriques pour dcrire le comportement lectrochimique du cur de pile combustible. Il est donc important de dvelopper un modle lectrochimique dynamique prenant en compte les processus lectrochimiques de lchelle de llectrode au cur de pile et destin prdire le comportement d'une PAC en fonctionnement, par exemple en interconnexion avec un rseau autonome. Modle lectrochimique dynamique de piles combustibles .1. Dmarche multi-chelle

Il serait intressant dtudier plus particulirement les PAC en tant que racteurs lectrochimiques complexes en vue doptimiser leur fonctionnement, en tenant compte des besoins de lutilisateur. Cette dmarche exige de connatre les phnomnes physico-chimiques du cur de pile (assemblage lectrodes-lectrolyte) et de dterminer les critres de performance. Ce projet impose une approche multi-chelles : la prdiction fine du comportement du cur de pile impose une tude l'chelle microscopique afin de considrer les phnomnes coupls au niveau de llectrode poreuse et de llectrolyte membrane ou solide selon la pile tudie. Pour sa part lutilisateur imposera des performances l'chelle macroscopique, en termes de puissance et de temps de rponse de la pile. .2. Rgime transitoire / Comportement dynamique

Lutilisation de la pile dans un systme lectrique implique que la pile subit les sollicitations des diffrents organes du rseau. Ces sollicitations extrieures peuvent tre alatoires (demande en puissance brutale) ou rsulter de perturbations dues aux convertisseurs, aux autres gnrateurs et autres organes. Il est donc fondamental de matriser le comportement dynamique de la pile pour pouvoir linsrer dans un systme lectrique global.

La modlisation du comportement dynamique du cur de pile apparat tre un outil adapt pour discerner les points cls du fonctionnement de la pile environne et pour dgager les orientations pour concevoir le cur de pile lui-mme et optimiser son intgration dans un rseau . 3. Phnomnes mis en jeu

Dans un premier temps, les travaux doivent porter sur la PEMFC, dont le cur de pile comporte plusieurs parties : - les canaux dalimentation des gaz pour chacune des lectrodes (G)

- lanode, lectrode volumique comprenant une couche de diffusion et une couche active, (A) - la cathode, elle aussi lectrode volumique comprenant une couche de diffusion et une couche active(C) - la membrane lectrolyte (M) Divers phnomnes se produisent dans le cur de pile : -le transport de matire des espces lectro-actives jusqu la zone active (convection dans les canaux dalimentation, diffusion dans llectrode) -la raction lectrochimique au niveau du point triple de la zone active (cintique lectrochimique, transfert de charge, surtension) -le transfert de chaleur (chaleur de raction) -le transport des produits de la raction : leau -le transport dans la membrane lectrolyte des protons et de leau Le modle devra donc prendre en compte ces diffrents phnomnes physiques, chimiques et lectrochimiques partir de modles microscopiques. .4. Modles de connaissances / Paramtres du modle

La dtermination des paramtres ncessaires aux modles du cur de pile pourra tre obtenue soit par des mthodes de caractrisation lectrochimique comme la spectromtrie dimpdance lectrochimique soit par connaissance du mode dlaboration des matriaux. Nous pourrons nous appuyer galement sur les travaux raliss en rgime permanent qui permettent de dgager des paramtres cls comme ceux gouvernant les mcanismes de transport des espces lectro-actives et les cintiques lectrochimiques.

La figure 1 illustre les interactions entre le rseau et le cur de pile lchelle macroscopique et prcise les paramtres des modles indispensables pour dterminer les grandeurs globales macroscopiques caractrisant le fonctionnement de pile : puissance, tension, intensit, chaleur, alimentation de gaz .

Ainsi le modle du cur de pile permettra d'accder, partir des caractristiques de ses lments internes, au comportement du cur de pile dans un rseau lectrique.

Cintique lectrochimique

Transfert et TransportCaractristiques des lectrodes,

de la menbrane

MODELE DU COEUR

Exigences de lutilisateur

Caractristiques technologiquesdes organes du rseau

COMPORTEMENT DU RESEAU

Chaleur H2O

Cur de PEMFC

Rseau

CO

NVE

RTIS

SEUR

PuissanceU, I

AlimentationsGaz

Pic de puissancePerturbations

G

A

M

C

G

Figure 1. Interface cur de pile / systme

Partie travaux CIRIMAT 2003-2004 (S.Castillo) Stockage lectrochimique d'nergies renouvelables

Dans le cadre du Projet Exploratoire, nous nous sommes intresss aux systmes de stockage de type lectrochimique utiliss dans les installations de production d'lectricit alimentes par des nergies renouvelables. La caractristique principale de ces sources d'nergie est leur rgime intermittent qui ncessite un couplage avec un systme de stockage fiable et performant, susceptible d'amortir l'aspect alatoire de cette production dnergie afin de mieux correspondre la demande de l'utilisateur.

Les lments de stockage sont constitus le plus souvent par des accumulateurs plomb-acide, qui, malgr leur faible nergie massique (35 40 Wh/kg), reprsentent encore actuellement la technologie la moins chre et la mieux matrise d'un point de vue industriel, aussi bien du point de vue de la fabrication que du recyclage.

Ces batteries restent le point faible des installations; en effet, elles sont soumises des rgimes de charge/dcharge trs loigns des conditions "normales" d'volution et de vieillissement des matriaux qui les constituent, ce qui diminue considrablement leur dure de vie.

Deux aspects principaux ont t tudis : - d'une part, une recherche d'information sur les batteries plomb-acide utilises comme

systmes de stockage d'nergie renouvelable dans les applications stationnaires, - d'autre part, la mise en place d'un banc de caractrisation d'accumulateurs plomb-acide

destin, dans une premire tape, une utilisation en charge et dcharge contrles. Ultrieurement, les batteries plomb-acide seront couples avec une ou plusieurs sources d'nergie renouvelable (panneaux photovoltaques et/ou olienne) dans une architecture systme intgrant l'lectronique dinterface et de commande destine optimiser le fonctionnement de chaque source dnergie et des organes de stockage. Technologie des accumulateurs plomb-acide Les accumulateurs plomb-acide, dont le fonctionnement est bas sur les ractions lectrochimiques du plomb et du dioxyde de plomb en milieu acide sulfurique, sont constitus par un assemblage de "plaques" positives et ngatives, supportant la matire active, dans un bain d'acide sulfurique. Les plaques sont formes par une grille, qui joue le rle de collecteur de courant, sur laquelle est empte la matire active poreuse de chaque lectrode. Le constituant de la grille est un alliage base de plomb (plomb-antimoine ou plomb-calcium, avec ventuellement ajout d'tain). Il existe deux types de technologies d'accumulateurs au plomb: les batteries "plomb-acide ouvert" et les batteries "plomb-acide tanche" rgules par soupape (VRLA: Valve Regulated Lead Acid). Dans les batteries "plomb-acide ouvert", les lectrodes atteignent en fin de charge des potentiels suffisants pour provoquer une dcomposition lectrolytique de l'eau qui se traduit par le dgagement d'oxygne sur l'lectrode positive et d'hydrogne sur l'lectrode ngative, et ncessite d'effectuer rgulirement un complment en eau pour conserver une quantit suffisante d'lectrolyte. Dans les batteries plomb-acide recombinaison de gaz ("plomb tanche"), l'lectrolyte est immobilis sous forme de gel ou adsorb dans le sparateur microporeux; dans ce cas, l'oxygne, qui se dgage avant l'hydrogne en fin de charge, est canalis au travers des microfissures prsentes dans l'lectrolyte, jusqu' la plaque ngative o il se recombine avec

l'hydrogne pour donner de l'eau, ce qui maintient ainsi le niveau d'lectrolyte constant l'intrieur de la batterie. Vieillissement des accumulateurs plomb-acide

Le vieillissement des batteries plomb-acide est d aux constituants de la batterie elle-mme, ou aux conditions d'utilisation. Les mcanismes responsables de la perte prmature de capacit, qui peut tre observe ds les premiers cycles de charge/dcharge, sont localiss principalement la plaque positive; ils ont pour origine la nature de l'alliage de la grille positive, ou le mode d'obtention de la matire active [1], ou sa morphologie; en particulier, il se forme au cours des cyclages des agrgats isols de matire active qui ne peuvent plus participer aux ractions lectrochimiques de charge/dcharge [2-3]. Leur croissance entre les plaques peut entraner l'tablissement de petits courts-circuits responsables de l'auto-dcharge. Les contraintes de fonctionnement des systmes photovoltaques (immobilit de la batterie, cyclages profonds, seuils de tension levs pour viter le dgazage) entranent l'tablissement d'un gradient de concentration dans l'lectrolyte (stratification) prjudiciable au bon fonctionnement des lectrodes [4-6]. Il contribue la formation de sulfate de plomb irrversible dans la partie infrieure des lectrodes, principalement sur l'lectrode positive qui ne pourra plus tre convenablement recharge. L'inhomognit de fonctionnement de l'lectrode entrane une diminution trs importante de la capacit de la batterie au cours du temps. Dans le cas des batteries ouvertes, une phase de surcharge avec dgazage peut contribuer diminuer la stratification en homognisant l'lectrolyte [7], mais cela entrane une perte d'eau qu'il faut compenser rgulirement pour maintenir le niveau dans la batterie. Des systmes de brassage de l'lectrolyte ont aussi t utiliss pour lutter contre la stratification [8] ainsi que de nouvelles formulations de la composition: elles consistent en ajouts dans l'acide sulfurique de silice collodale et d'acide phosphorique [9]. Les recherches se poursuivent sur l'amlioration des alliages constituant les lectrodes, et sur le rle des lments tels que l'tain dans l'limination des phnomnes de passivation, responsables de la formation d'une couche de corrosion la surface du mtal. [10-12] Des modles de vieillissement des batteries sont proposs pour estimer la dure de vie des systmes de stockage, en particulier avec des installations photovoltaques [13-17] Le banc de caractrisation Un banc de caractrisation a t mis en place sur le site exprimental du LAAS-CNRS (Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systmes) avec qui nous sommes en collaboration. Il comporte les dispositifs de charge, de stockage (batterie au plomb), de dcharge et d'acquisition de donnes. La charge est assure par une source de courant et/ou de tension de classe I (corps de lappareil mis la terre et protection contre les surcharges du cur de lappareil. Les premiers tests nous ont permis de procder la charge de la batterie, d'abord courant constant, puis tension constante et contrle. Compte tenu des caractristiques de l'appareil, en particulier en ce qui concerne les temps de rponse, le contrle de la tension de seuil est particulirement efficace. La charge simule des sources d'nergie renouvelable (panneaux photovoltaques et olienne) pendant la phase de caractrisation de l'organe de stockage. Le stockage est assur par une batterie plomb-acide (6 V; 82 Ah) FIAMM; plusieurs units de batteries pourront tre associes ultrieurement, lorsque les modules de stockage seront mis en

service. Les batteries sont livres sches; elles sont remplies d'lectrolyte (acide sulfurique 1,265 kg/L) et charges pendant 24 heures avant toute utilisation. La dcharge de l'unit de stockage est assure, dans la phase de caractrisation, par une charge lectronique de courant et/ou de tension "PLZ-3W Series-Electronic Load KIKUSUI". La dcharge de la batterie peut tre effectue en tension constante ou en courant constant, ou les deux la fois, sur une base de temps fixe ou laisse libre. Le matriel de cblage employ (bornages, crous, cbles) est identique celui utilis pour l'appareil de charge et l'appareil est paramtr de la mme manire de faon homogniser les temps de rponses et les caractristiques de programmation de la charge et de la dcharge. Le banc de caractrisation est complt par la centrale dacquisition HP 34970A qui enregistre les donnes: temprature, tension aux bornes de lunit de stockage, courant. Trois capteurs de temprature sont utiliss: ! un thermocouple K pour la mesure de la temprature ambiante du local o se trouve l'unit de

stockage ! un thermocouple K de contact pour la mesure de la temprature de surface des panneaux

photovoltaques ! une sonde Pt100 trois fils (de classe B pour bain d'acide), place dans la batterie elle-mme

comme capteur de temprature interne La mise en place du banc de caractrisation ayant ncessit un investissement en temps plus important que celui qui avait t estim au dbut de cette tude, seuls quelques essais prliminaires de charge/dcharge ont pu tre raliss, afin de vrifier que le banc tait oprationnel. Le cyclage de la batterie sur une longue priode dans des conditions de charge/dcharge contrles reste raliser avant d'aborder, dans une autre tape, le couplage de l'organe de stockage avec les sources d'nergie intermittentes disponibles (modules photovoltaques et olienne). Rfrences bibliographiques: [1] S. Mtais: Etude de la perte prmature de capacit d'accumulateurs au plomb: influence de la nature de l'alliage de la grille positive et du traitement de mrissage de la plaque positive. Thse Electrochimie, 10/07/98, INP Grenoble. [2] C. Brissaud: Etude morphologique et structurale des mcanismes de dgradation des batteries Plomb/Acide recombinaison de gaz lors des tests de cyclage et de surcharge. Thse Sciences des matriaux, 19/12/96, Universit des sciences et technologies de Lille. [3] D. Pavlov, G. Papazov, B. Mohanov: Strap grid tubular plate- a new positive plate for lead-acid batteries. Processes of residual sulphation of the positive plate Journal of Power Sources, Vol. 113, 2003, pp. 255-270 [4] F. Lambert-Mattera: Etude des modes de vieillissement des accumulateurs au Plomb utiliss dans les systmes photovoltaques. Thse Electrochimie, 29/10/99, INP Grenoble. [5] F. Mattera, D. Desmettre, J.L. Martin et Ph. Malbranche: Characterisation of photovoltaic batteries using radio element detection: the influence and consequences of the electrolyte stratification Journal of Power Sources, Vol. 113, n 2, 2003, pp. 400-407

[6] F. Mattera, D. Benchetrite, D. Desmettre, J. L. Martin et E. Potteau: Irreversible sulphation in photovoltaic batteries Journal of Power Sources, Vol. 116, n 1-2, 2003, pp. 248-256 [7] J.Alzieu et G. Schweitz, P. Izzo, S. Reymann: Stockage "multi-batteries" pour alimentations photovoltaques autonomes, Colloque Gaston Plant, SFC-SFT, CNAM Paris, Octobre 2000 [8] C. Armenta-Deu: Improving photovoltaic system sizing by using electrolyte circulation in the lead-acid batteries Renewable Energy, Vol.13, n2, 1998, pp.215-225 [9] L. Torcheux, P. Lailler: A new electrolyte formulation for low cost cycling lead acid batteries Journal of Power Sources, Vol. 95, 2001, pp. 248-254 [10] P. Mattesco, N. Bui, P. Simon and L. Albert : Tin effect in lead-calcium alloys 5th European Lead Batteries Conference, Barcelona, Spain, October 1996. [11] N.Bui, P. Mattesco, P. Simon and N. Pebere: Fundamentals researches on the role of alloying tin as a means to eliminate the passivation phenomena in lead-acid batteries Journal of Power Sources, Vol. 73, 1998, 30-35 [12] R. D. Prengaman: Challenges from corrosion-resistant grid alloys in lead acid battery manufacturing Journal of Power Sources, Vol. 95, 2001, 224-233 [13] D.J. Spiers, A.A. Rasinkoski: Limits to battery lifetime in photovoltaic applications Solar Energy, Vol.58, n4-6, 1996, pp.147-154 [14] A. Urbina, T.L. Paez, C. O'Gorman, P. Barney, R.G. Jungst, D. Ingersoll: Reliability of rechargeable batteries in a photovoltaic power supply system Journal of power sources, 80, 1999, pp.30-38 [15] A. Cherif, M. Jraidi, A. Dhouib: A battery ageing model used in stand alone PV systems Journal of power sources, 112, 2002, pp.49-53 [16] D. U. Sauer: Modelling of local conditions in flooded lead acid batteries in photovoltaic systems Journal of power sources, 64, 1997, pp.181-187 [17] D. U. Sauer, J. Garche: Optimum battery design for applications in photovoltaic systems- theoretical considerations Journal of power sources, 64, 1997, pp.181-187 ANNEXES:

Caractristiques des batteries utilises

Tension 6 V

Capacit 82 Ah

Cellule 7 plaques positives, 8 ngatives

Dimension des plaques largeur: 145 mm; hauteur: 115 mm

Epaisseur des plaques positives 1,6 mm

Epaisseur des plaques ngatives 1,4 mm

Caractristiques techniques de la charge: AGILENT 6032A System Power Supply

Tension de sortie 0-60 Volt Courant de sortie 0-50 Ampres

Puissance maximum 1200 Watts Plage dautorgulation en sortie

V1, I1 60V/175A V2, I2 40V/30A V3, I3 20V/50A

Prcision 25C (+ou- 5C) Tension 0.035%, +40mV Courant 0.2%, +85mA

Prcision de lecture 25C (+ou- 5C) Tension 0.08%, +20mV Courant 0.36%, +35mA

Courant rms (sense) 25mA Rgulation de charge

Tension 5mV Courant 10mA

Rgulation de ligne (cblage) Tension 3mV Courant 10mA

Temps de rponse 2ms Niveau de 10% du pas de changement 100mV

Rsolution lors de la programmation Tension 15mV Courant 12,5mA

Banc de caractrisation (partie acquisition)

Appareillage de charge/dcharge contrles: AGILENT 6032A System Power Supply (au-dessus )

et PLZ-3W Series-Electronic Load KIKUSUI (au-dessous )

Partie travaux LEEI 2003-2004 (Ch.Turpin, S.Astier) Modlisation des composants lectrochimiques Les laboratoires franais de Gnie Electrique acteurs dans le domaine

Les composants lectrochimiques offrent potentiellement une grande varit pour la production et/ou le stockage dnergie lectrique : accumulateurs, condensateurs, supercondensateur, piles combustible, piles mtal-air et accumulateurs redox-flow ou circulation.

A ce jour, il ny a pas dactivits recenses dans la communaut franaise du Gnie Electrique ni sur les piles mtal-air, ni sur les accumulateurs redox-flow. ! Les piles mtal-air sont pourtant trs prometteuses : capacits volumiques potentielles de 500

1000Wh/kg , particularit dtre non rechargeables avec des lectrodes consommables. ! Les accumulateurs redox-flow sont envisageables pour du stockage de forte nergie et de

forte puissance. Ils peuvent tre vus comme une hybridation entre une pile combustible et un accumulateur : deux rservoirs contiennent les ractifs liquides des niveaux doxydation diffrents qui viennent ragir dans une pile combustible pouvant assurer la raction dans les deux sens. Energie stocke et puissance sont dcouples et il ny a pas de modification structurelle du composant. Le dispositif est donc comparable aux groupes de pompage rversibles exploitant deux barrages. Les efforts sont majoritairement ports sur la pile combustible et les supercondensateurs, et

dans une moindre mesure sur les accumulateurs (acide-plomb, Li-ions, NiMH). Laccumulateur Ni-Cd nest a priori pas tudi. Les laboratoires de Gnie Electrique travaillant clairement sur la modlisation des composants lectrochimiques sont dtaills ci-dessous. pile combustible supercondensateur accumulateur

GREEN (Nancy) PEM lectrostatique LEC (Compigne) NiMH LEEI (Toulouse) PEM lectrostatique Li-ions, acide-plomb

LEM (Montpellier) acide-plomb L2ES (Belfort) PEM lectrostatique

Objectifs et approches de la modlisation 1. Phnomnes modliser et proprits Les composants lectrochimiques ralisent un couplage nergtique entre les domaines lectrique et chimique. Ils sont le sige de potentiels thermodynamiques chimiques et lectriques lorigine de flux de charges lectriques et de matire. Le couplage au domaine thermique est plus fort que dans les conversions lectromcaniques, en raison du rle dterminant de la temprature dans les ractions chimiques et les transports de matires. Les composants lectrochimiques prsentent un ensemble de phnomnes physico-chimiques qui seront prendre en compte avec une pondration dpendant du type de composant : transformation de lnergie chimique en nergie lectrique et rciproquement pour les

composants rversibles en courant (thermochimie) pertes dactivation (lie aux cintiques des ractions) pertes par diffusion (lie au transport de matires) pertes ohmiques (conductions ionique et lectronique) phnomnes de double couche (existe au niveau de toute interface lectrode/lectrolyte)

phnomnes thermiques (chaleur de raction, pertes). Outre cette communaut de phnomnes, chaque composant a aussi ses propres spcificits : phnomnes fluidiques (gaz et eau) pour une pile combustible, phnomne de stratification de llectrolyte pour un accumulateur acide/plomb. Les composants lectrochimiques sont naturellement modulaires : dlivrant intrinsquement des trs basses tensions, il est impratif de les associer en srie ; lassociation en parallle est aussi souvent envisage pour atteindre les puissances requises. Ils sont de plus complmentaires dun point de vue nergtique (source de puissance, source dnergie) et peuvent tre hybrids avantageusement. 2. Les objectifs de la modlisation

Le recours la modlisation est indispensable pour comprendre et prdire le fonctionnement, dimensionner et commander des systmes nergtiques exploitant des composants lectrochimiques. Les objectifs sont trs varis et gnrent autant de dmarches de modlisation: comportement stationnaire comportement dynamique :

- sollicitations permanentes : influence des harmoniques gnrs par les convertisseurs - sollicitations transitoires : -coups de puissance alatoires, cyclages marche/arrt, cycles de

charge/dcharge, cyclages alatoires comportement thermique dimensionnement des composants lectrochimiques, des convertisseurs statiques associs,

dimensionnement dun systme nergtique, rendement nergtique interactions avec le systme (par exemple, avec les convertisseurs associs) lois de commande (rgulations lectrique, thermique, fluidique) pour le composant

lectrochimique et ses auxiliaires ventuellement associs jauge nergtique (connaissance de ltat de charge tout moment), stratgies optimises

(nergtique, vieillissement) de charge et de dcharge tude des associations srie/parallle de cellules de mme nature : dispersion, conditions de

stabilit, circuits dquilibrage, circuits de protection hybridation de gnrateurs de natures nergtiques complmentaires : niveau dhybridation,

rpartition des puissances, gestion nergtique vieillissement en rgimes contraints, diagnostic, prvention 3. Les approches de modlisation Cinq approches de modlisation sont mises en uvre par les acteurs du Gnie Electrique : ! Modlisation de type bote noire dont lobjectif est de dcrire le comportement sans

avoir recours aux paramtres intimes (souvent peu vidents dfinir) du composant lectrochimique. Le principal inconvnient est la perte de la liaison avec les phnomnes physiques mis en jeu. [domaine principal dapplication : commande]

Modlisation du comportement statique laide dune relation liant la tension et le courant pour des conditions de fonctionnement (temprature, pressions) donnes et supposes matrises. Cette approche ne prend pas en compte les limitations en dynamiques dues aux transports de charges et de matire, la thermique, la fluidique. [domaines principaux dapplication : commande, dimensionnement grossier]

Modlisation par quations locales (aux drives partielles) des flux de matires, de charges et/ou de chaleur dans les diffrentes parties du composant lectrochimique. Il sagit

de modles en gnral monodimensionnels, discrtiss et parfois dynamiques. Leurs dveloppements ncessitent une collaboration approfondie avec les spcialistes concerns. Une fois dvelopps, ils sont trs puissants pour optimiser la conception dun composant lectrochimique. La difficult principale est quils font appel de trs nombreux paramtres quil est souvent difficile de connatre ou de mesurer. Ils ncessitent en outre une forte puissance de calcul. [domaines principaux dapplication : comprhension, prdiction, conception et optimisation des composants lectrochimiques]

Modlisation avec un circuit lectrique quivalent dont les diffrents lments refltent dun point de vue macroscopique les phnomnes physico-chimiques locaux. Ils permettent de dcrire le comportement lectrique voire nergtique dans une certaine mesure. Ils peuvent de plus, dans certains cas, dcrire le comportement frquentiel du composant lectrochimique : ils constituent alors des modles dynamiques. Ces modles permettent de conserver un certain lien avec les phnomnes physiques et sont paramtrables assez facilement. Ils sont relativement facilement implantables dans les simulateurs de type circuit utiliss en Gnie Electrique. Le principal inconvnient est que ces modles ne sont valables que dans des conditions de fonctionnement (temprature, pressions) donnes. [domaines principaux dapplication : comprhension, commande, dimensionnement, diagnostic temps rel]

Modlisation nergtique porte par les Bond-Graphs. Cette approche est originale mme dans la communaut du Gnie Electrique. Il sagit de modliser tous les flux nergtiques (lectriques, thermiques, fluidiques) au sein dun composant lectrochimiques sans avoir recours des quations aux drives partielles mais des lments nergtiques (lments dissipatifs, lments de stockage inertiels et potentiels) et des lments de connexion (jonctions srie/parallle, transformateur). Lintrt des Bond Graphs est de dcrire de manire uniformise et graphiquement tous les changes nergtiques. Cette approche est intrinsquement multidisciplinaire. Les modles dvelopps sont implicitement dynamiques et permettent de conserver un lien fort et original avec les phnomnes physiques. Les difficults principales sont dune part, la description pas toujours explicite des changes et couplages nergtiques et dautre part, la rduction des modles suivant les horizons de simulation. [domaines principaux dapplication : comprhension, prdiction, commande, dimensionnement]

Toutes ces approches passent obligatoirement par une phase exprimentale plus ou moins ardue : paramtrisation (voire apprentissage dans le cas dune modlisation neuronale) et validation.

Type de modlisation PAC PEM supercondensateur lectrostatique

accu acide-plomb

accu Li-ions

accu NiMH

bote noire L2ES LEM courbe statique LEEI, L2ES LEEI LEEI LEC

quations locales GREEN

circuit lectrique quivalent GREEN, LEEI, L2ESGREEN, LEEI,

L2ES LEC

approche nergtique LEEI LEEI LEEI

Synthse des mthodes appliques par les diffrents laboratoires pour la modlisation des composants lectrochimiques.

Etats des lieux par composant 1. La pile combustible Les travaux de modlisation ne portent ce jour que sur la technologie PEM. Notons que la spectroscopie dimpdance, trs utilise par les lectrochimistes, a t utilise par tous les laboratoires pour identifier certains paramtres des modles dvelopps.

Le GREEN a opt pour une modlisation par quations locales [1][2][3] des flux de charges et de matires. Lapproche est monodimensionnelle et dynamique. Les couches de diffusion, les couches de raction, les phnomnes de double couche et les phnomnes deau dans la membrane sont considrs. Les entres sont les dbits, pressions, tempratures et humidits. Les sorties sont les grandeurs lectriques et les dbits des gaz la sortie. Il y a naturellement possibilit daccder aux grandeurs internes et leur distribution spatiale pour certaines. Cependant, la temprature a t considre constante lors de cette tude. Le modle a t dvelopp dans le logiciel Matlab-Simulink et valid sur une pile dune puissance de 500W. Le nombre de paramtres ncessaires pour le modle est trs lev.

Le LEEI a suivi deux voies : une voie classique par circuits lectriques quivalents (non linaires) [4][5] et une voie originale par approche nergtique [6]. Ces travaux ont t mens en trs troite collaboration avec le LGC (Toulouse). La premire est exploite pour tudier les interactions entre les piles combustible et les convertisseurs statiques. Elle considre les pressions et les tempratures constantes et prend en compte les phnomnes de diffusion, dactivation, de double couche et ohmiques. La porosit des lectrodes est modlise par des circuits RC parallles. La seconde a t motive par la volont de simuler des systmes fortement htrognes. Le choix des Bond Graphs a t retenu. Les pressions sont toujours considres constantes, mais un modle thermique a t dvelopp. Il sagit dun modle lectrodes dissocies. Tous les phnomnes de la premire voie sont considrs. Le modle est monodimensionnel et dynamique. La diffusion a t rsolue en rgime quasi stationnaire. Ces modles ont t valids sur une pile combustible de 200W. Des tudes sur les associations srie/parallle ont t ralises grce ce modle.

Le L2ES suit plusieurs voies avec des objectifs trs prcis. Toutes les validations ont t ralises sur une pile combustible de 500W. Une approche originale par rseaux de neurones [8][9] est suivie en considrant la pile combustible comme une bote noire. La force de cette approche est de fournir un modle efficace vitant les cueils de la modlisation directe des phnomnes physico-chimiques. Aprs une phase dapprentissage, ce modle est capable de fournir des prdictions pertinentes en mode statique. Seulement quatre mesures (les dbits dentre des gaz, la temprature et le courant) sont prendre raliser sur le systme rel. Il peut tre implant a priori sans relles difficults dans une chane de traction. Une autre approche, beaucoup plus classique, consiste modliser la courbe statique pour des conditions de fonctionnement donnes [12]. Elle est complte par une modlisation dynamique par circuits lectriques quivalents [11]. Toujours pour des conditions de fonctionnement donnes, elle prend en compte les phnomnes de diffusion, dactivation, de double couche et ohmiques. La diffusion est modlise par des circuits RC parallles. Ce travail a t ralis en collaboration avec les lectrochimistes du LEPMI (Grenoble). Une tude plus cible sur le comportement thermique dune pile combustible est de plus mene [10] (refroidissement par eau). Lapproche est nodale, le systme tant dcoup en blocs

isothermes. Le modle dvelopp permet de dresser une carte des tempratures sur une cellule. Ces travaux semblent hriter du dveloppement dun modle 3D plus complet au CREST (Belfort). Les piles combustible mettent gnralement en uvre plusieurs auxiliaires (compresseurs, pompes). Seul le L2ES consacre une grande partie de ses efforts modliser et optimiser le fonctionnement de ces auxiliaires : il en a mme fait un de ses axes prioritaires de recherches. Prcisons cependant quune modlisation dun systme pile combustible complet a t ralise au LEEI dans le cadre dune application de tramway hybride pile combustible [7]. Pour terminer, prcisons quau LEG (Grenoble), un tat des lieux et des rflexions autour de la modlisation de la pile combustible ont t proposs [10]. Le modle finalement utilis a t dvelopp par le CEA.

[1] Modle dune pile combustible PEM pour lintgration dans un circuit lectrique, W. FRIEDE, S. RAL, B. DAVAT, EPF 2002, Montpellier.

[2] PEM fuel cell models for supply of an electric load, W. FRIEDE, S. RAL, B. DAVAT, Electrimacs 2002, Montral.

[3] Modlisation et caractrisation dune pile combustible du type PEM, W. FRIEDE, Thse INP Lorraine, 2003.

[4] Modlisation et caractrisation dune pile combustible PEM en vue de la connexion dun convertisseur statique, C. TURPIN, J.v.d. MERWE, T. MEYNARD, S. ASTIER, B. LAFAGE, EPF 2002, Montpellier.

[5] Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell : Installation, Testing and Modelling, J. van der MERWE, Diplme de Recherche Universitaire INP Toulouse, juin 2002.

[6] Contribution ltude systmique de dispositifs nergtiques composants lectrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqu aux piles combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Vhicule Solaire, R. SAISSET, thse INPT, 2004.

[7] Modelling and control of a fuel cell system for electrical rail transport, J. LACHAIZE, M. FADEL, S. CAUX, P. SCHOTT, L. NICOD, EPE03, Toulouse.

[8] Fuzzy diagnosis model of fuel cell power generators for automotive applications, D. HISSEL, S. JEME, M.C. PRA, J.M. KAUFFMANN, Electrimacs 2002, Montral.

[9] Modlisation neuronale dun systme pile combustible ddi au transport terrestre, S. JEME, JCGE03, juin 2003, Saint-Nazaire.

[10] Transient thermal computation of a PEM fuel cell by a nodal modeling, L. DUMERCY, R. GLISES, J.M. KAUFFMANN, H. LOUAHLIA-GUALOUS

[11] Dynamic PEM fuel cell modeling for automotive applications, J. GARNIER, M.C. PERA, D. HISSEL, F. HAREL, D. CANDUSSO, N. GLANDUT, J.P. DIARD, A. DE BERNARDINIS, J.M. KAUFFMANN, G. COQUERY

[12] Pile combustible : Une solution pour un vhicule propre et conome ?, S. HAMANDI, M. TEKIN, D. HISSEL, M.C. PERA, J.M. KAUFFMANN, GEVIQ2002, juin 2002, Marseille.

[13] Hybridation du groupe lectrogne pile combustible pour lalimentation dun vhicule lectrique, D. CANDUSSO, thse INP Grenoble, 2002.

2. Le supercondensateur Toutes les modlisations dveloppes reposent sur des quivalences lectriques.

Le GREEN est le laboratoire de Gnie Electrique qui a men les travaux de modlisation les plus pousss sur les supercondensateurs [14][15][16]. Aprs avoir tudi le phnomne de

double couche, des modles lectriques quivalents de type ligne de transmission (circuit RC parallles, constantes rparties ou localises) ont t proposs. Ils permettent de dcrire trs finement le comportement nergtique des supercondensateurs et peuvent tre utiliss avantageusement comme outil de dimensionnement. Une procdure exprimentale a t tablie pour l'identification des paramtres du modle. Ces modles rendent compte des diffrents phnomnes associs au stockage de charge dans les supercondensateurs : la non-linarit du stockage de charges, le comportement lectrique type ligne de transmission, la redistribution interne des charges stocke et les pertes ohmiques. Les phnomnes dautodcharge sont galement abords.

Le L2ES a suivi galement cette voie dans la modlisation, mais en se limitant aux modles classiques deux branches RC parallles. Le phnomne dautodcharge nest pas considr. Seuls la non-linarit de la capacit, la rsistance srie et le phnomne de redistribution des charges sont modliss. Le vritable apport est davoir tudi le comportement thermique des supercondensateurs [17][18] entre 40C et 50C. Plus prcisment, les dpendances la temprature de la rsistance srie et de la capacit ont t intgres dans le modle par des lois mathmatiques (polynomiales) issues de campagnes dessais exprimentaux. Ce modle a t utilis pour la simulation dun dmarrage de moteur thermique.

Le LEEI a repris le mme type de modle deux branches RC parallles, en considrant les phnomnes principaux : capacit de double couche non linaire, phnomnes ohmiques, dauto-dcharge et de redistribution des charges. Ce modle a t utilis pour tudier linfluence des harmoniques de courant gnrs par les convertisseurs statiques sur ses paramtres [19].

Signalons enfin quun banc de tests a t construit au L2EP (Lille) pour caractriser les supercondensateurs [20], mais nous ne savons pas si la finalit des travaux est la modlisation.

[14] Modlisation nergtique des supercondensateurs double couche lectronique, F. BELHACHEMI, S. RAL, B. DAVAT, EPF 2000, Lilles.

[15] A physical based model of power electric double-layer supercapacitors, F. BELHACHEMI, S. RAL, B. DAVAT, IEEE Industry Applications Conference, octobre 2002, Rome.

[16] Modlisation et caractrisation des supercondensateurs couche double lectrique utiliss en lectronique de puissance, F. BELHACHEMI, Thse INP Lorraine, 2001.

[17] Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature, H. GUALOUS, D. BOUQUAIN, A. BERTHON, J.M. KAUFFMANN, J. of Power Sources, vol. 123 (2003), pp 86 93.

[18] Variation de la rsistance srie et de la capacit des supercondensateurs en fonction de la temprature, H. GUALOUS, D. BOUQUAIN, J.M. KAUFFMANN, EPF 2002, Montpellier.

[19] Etude exprimentale des supercondensateurs et de leur association en srie, M. FREZA, DEA INP Toulouse, septembre 2003.

[20] A 60V-400A test bench for supercapacitor modules, P. BARTHOLOMEUS, B. VULTURESCU, X. PIERRE, N. RIZOUG, P. LE MOIGNE, EPE 2003, Toulouse.

Laccumulateur acide-plomb

Bien que laccumulateur au plomb soit trs majoritairement llment de stockage le plus utilis, il est assez surprenant de constater que la communaut du Gnie Electrique ne dispose pas de modles satisfaisants. Dans un pass rcent, des acteurs du Gnie Electrique, comme le L2EP, ont propos de tabuler les performances de laccumulateur acide-plomb [28] dans le cadre de

lapplication vhicule lectrique, mais cette approche est limite et ne tient pas compte de toutes les conditions de fonctionnement (temprature, rponse dynamique).

Le LEEI a opt pour lapproche nergtique (Bond Graphs), voie rellement innovante pour cet accumulateur qui a fait lobjet de trs nombreuses approches de modlisation. Il sagit dun modle dynamique. Les phnomnes dactivation, les pertes ohmiques et le transport de matire sont considrs [25][26][27]. Le modle est bti autour de la modlisation des potentiels thermodynamiques. Les lectrodes ont t dissocies. Ltat de charge, llectrolyse, lautodcharge et la thermique sont apprhends. Le phnomne de stratification de llectrolyte est en cours dtude. Les travaux de [25] ont t co-dirigs avec le LEPMI (Grenoble).

Le LEM a tudi le comportement des accumulateurs au plomb dans le cadre du vhicule lectrique [21][22], dans celui des installations nergies renouvelables (photovoltaques et oliens) [23] et plus rcemment dans celui des applications stationnaires (secours) [25]. Dans les deux premiers cas, des tudes fine ont t menes sur les processus de charges et de dcharges en rgime intense, notamment concernant les dsquilibres entre lments dans une association srie avec pour critre principal le vieillissement. Des chargeurs, des quilibreurs de charge et des indicateurs dtat de charge (entre autres, un indicateur utilisant des rseaux neuronaux pour tenir compte du vieillissement de la batterie) ont t dvelopps. Dans le cadre des batteries stationnaires, des travaux approfondis sur lautodcharge sont actuellement entrepris afin de dfinir des stratgies de charge amliorant le vieillissement. Ces travaux ont tous t mens en collaboration avec des lectrochimistes de la Direction des Etudes et Recherches dEDF. Nous navons pas identifi avec prcision toutes les approches de modlisation suivies.

[21] State of charge indicator and associated functions, J. ALZIEU, H. SMIMITE, C. GLAIZE, J. of Power Sources, vol. 67 (1998), n1 et 2, pp 157 161.

[22] tude du comportement et gestion d'une batterie au plomb recombinaison quipant un vhicule lectrique, H. SMIMITE , Thse Universit Montpellier II, 1997.

[23] tude dun circuit lectronique et algorithmique destin la gestion de systmes autonomes de production dnergie photovoltaque, P. IZZO, Thse Universit Montpellier II, 2002.

[24] Analysis of PV battery behaviour during charging & proposal for a new charging procedure, C. GLAIZE, P. IZZO, J ALZIEU, European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, juin 2004, Paris.

[25] Modlisation en Bond Graph et caractrisation des batteries au plomb, F. KAROUI, Rapport de projet de fin dtude INP Grenoble INP Toulouse, juin 2004

[26] Modlisation Bond Graph de la batterie au plomb, K. AYAZ, DEA INP Toulouse, septembre 2003.

[27] Modlisation Bond-Graph de gnrateurs lectrochimiques : pile combustible SOFC et accumulateur au plomb, R. SAISSET, DEA INP Toulouse, juin 2001.

[28] Etat de charge dune batterie plomb-acide en utilisation vhicule lectrique, O. CAUMONT, P. LE MOIGNE, X. MUNERET, P. LENAIN, C. ROMBAUT, RIGE (1999), Vol. 2, pp 278-304.

Laccumulateur Li-ions

A ce jour, seul le LEEI travaille la modlisation de cet accumulateur dans les laboratoires franais de Gnie Electrique. Il a choisi, tout comme dans les cas de la pile combustible et de laccumulateur au plomb, lapproche nergtique (Bond Graphs) [29][30]. Le modle dvelopp est lectrodes non dissocies et dynamique. Les aspects modliss sont les

suivants : potentiel thermodynamique, tat de charge, phnomnes de relaxation, pertes dactivation, capacit de double couche, chutes ohmiques, phnomnes thermiques. Ce modle a t valid exprimentalement dans les plages de fonctionnement autorises et utilis pour la simulation et lamlioration dun vhicule solaire. Les fonctionnements extrmes ne sont pas considrs.

[29] Characterisation of Li-Ion batteries by means of Bond Graph modelling, R. SASSET, S. ASTIER, C. TURPIN, B. LAFAGE, CESURA03, juin 2003, Gdansk.

[30] Contribution ltude systmique de dispositifs nergtiques composants lectrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqu aux piles combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Vhicule Solaire, R. SAISSET, thse INP Toulouse, 2004.

Laccumulateur NiMH

Le LEC est le seul laboratoire franais de Gnie Electrique qui travaille sur la modlisation de cet accumulateur. Il a choisi lapproche par circuit lectrique quivalent constantes localises [31][32]. Seules les ractions primaires (supposant une utilisation de la batterie en dehors des zones de surcharge ou de surdcharge). Il sagit dun modle dynamique lectrodes non dissocies (mme si lapproche initiale est lectrodes dissocies). Le cur du modle est la modlisation du potentiel thermodynamique. Les phnomnes de double couche, dactivation, ohmiques et de diffusion sont considrs. Loriginalit rside dans la modlisation des phnomnes de diffusion laide de drives non entires. La linarit de cet accumulateur a permis de valider le bon comportement du modle dvelopp en forts signaux. Lidentification des paramtres du modle a t ralise par spectroscopie dimpdance.

[31] Modle pour accumulateur Ni-MH en vue dune application pour vhicule lectrique, E. KUHN, C. FORGEZ, G. FRIEDRICH, EPF Montpellier, 2002.

[32] Modle de batterie NiMH pour vhicule hybride parallle : validation en grands signaux, E. KUHN, JCGE03, juin 2003, Saint-Nazaire.

Conclusion

Nous avons dress un tableau le plus fidle possible des actions actuelles de modlisation des composants lectrochimiques dans les laboratoires franais de Gnie Electrique. Comme nous le constatons, tous les composants lectrochimiques ne sont pas couverts. De plus, les modles dvelopps sont pour la plupart partiellement finaliss et ne traitent pas des phnomnes de vieillissement. Dautres organismes franais (CEA, CNES, INRETS, CENERG) travaillent galement et activement sur la modlisation et/ou sur la caractrisation (qui diffre de la modlisation, mme si elle la rejoint souvent) des composants lectrochimiques. Les laboratoires franais de Gnie Electrique ont ou ont accs certains des modles via des collaborations. Nous terminerons sur les travaux mens par la communaut trangre (par exemple, lEPFL sur la pile combustible et les supercondensateurs pour ne citer queux) avec laquelle des collaborations existent galement.