I NTRODUCTION GENERALE
3.2 S TOCKAGE PAR LA FILIERE HYDROGENE
3.2.4 A CCUMULATEUR A COMBUSTIBLE
Si on considère l’ensemble du système {Electrolyseur + stockage + PAC} comme un accumulateur à combustible réversible, les énergies spécifiques données précédemment pour le stockage de l’hydrogène sont à rapporter à l’ensemble de la chaîne énergétique.
De plus, le rendement de la chaîne énergétique n’est pas très bon si on prend en considération le rendement d’un électrolyseur et celui d’une pile à combustible, soit de l’ordre de 30 à 40% pour la chaîne complète.
Aussi, les coûts d’investissement sont élevés et la durée de vie est limitée, particulièrement pour les applications de forte puissance [1].
La Figure I-17 présente le diagramme de Ragone et le diagramme « toile d’araignée » pour un système de stockage par hydrogène.
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FIGURE I-17 : DIAGRAMMES DE RAGONE ET TOILE D’ARAIGNEE – SYSTEME DE STOCKAGE PAR HYDROGENE
4 C
OMPARAISON DES MOYENS DE STOCKAGEUne synthèse des densités énergétiques massiques de différents moyens de stockage est proposée dans le Tableau I-20.
centralisé décentralisé non réversible réversible indirect direct Moyen de stockage
Energie spécifique
[Wh.kg-1]
Condensateurs < 0,1 Supercondensateurs 0,2 – 10
SMES 2 – 4
Volant d’inertie (système) 5 – 50
ACC Pb 15 – 40
ACC Ni-Cd 30 – 60
ACC Ni-Zn 60 – 70
ACC Ni-MH 60 – 90
ACC Li-métal 50
ACC Li-ion 90 – 150
ACC LMP 110
ACC LiPo 120 – 140
H2 (seul) 2000
Bois 4000
Charbon 8000
Pétrole 10 – 12.103
Gaz naturel 10 – 14.103 Uranium enrichi 600.106 Eau (chute d’eau de 1000m) 3 TABLEAU I-20 : COMPARAISON DE L’ENERGIE SPECIFIQUE DE DIFFERENTS MOYENS DE STOCKAGE
0 1 2 3 4 5 Energie spécifique
Puissance spécifique
Temps de décharge
Nombre de cycles Rendement
Auto- décharge
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Rappel : concernant les dispositifs de stockage indirect, il est nécessaire de prendre en considération les moyens de conversion de l’énergie électrique en autre énergie (chimique, mécanique, dihydrogène).
Les moyens de stockage présentés dans les paragraphes I.2 et I.3, sont décentralisés (embarqués), réversibles (susceptibles de fournir et de recevoir de l’énergie) et directs ou indirects selon sous quelle forme l’énergie est stockée. Le Tableau I-20 permet de les mettre en perspective, par rapport à d’autres moyens de stockage, pouvant être centralisés ou non réversibles, notamment les carburants que l’on retrouve dans les VEH.
De plus, un diagramme de Ragone est donné en Figure I-18 pour les différents moyens de stockage listés dans les deux précédents paragraphes.
Le moyen de stockage idéal disposerait à la fois d’une puissance spécifique élevée et d’une grande densité d’énergie. Or il apparaît sur le diagramme de Ragone qu’aucun des moyens de stockage ne présente ces propriétés. C’est la raison pour laquelle on s’oriente vers une association de moyens de stockage dont les caractéristiques Energie/Puissance sont complémentaires.
FIGURE I-18 : DIAGRAMME DE RAGONE – MOYENS DE STOCKAGE
Parmi les Systèmes de Stockage de l’Energie (SSE) à puissance spécifique élevée, les supercondensateurs sont un bon compromis Energie/Puissance. Les condensateurs sont trop peu énergétiques et quant aux SMES, dont les performances sont intéressantes (plus puissants que les supercondensateurs à densité d’énergie équivalente), leur mise en œuvre reste encore difficile, surtout dans l’optique d’une application embarquée.
Les volants d’inertie présentent des caractéristiques assez semblables à celles des supercondensateurs. Bien qu’ils soient déjà utilisés pour certains moyens de transport, leur mise en œuvre demeure délicate et la sureté de fonctionnement du système volant d’inertie reste une forte préoccupation.
Concernant les SSE à énergie spécifique élevée, les accumulateurs électrochimiques de technologies au lithium sont certainement le moyen le plus adapté pour une application embarquée, en comparaison avec un système à hydrogène pour lequel les technologies sont assez peu matures.
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Dans un premier temps, les moyens de stockage décentralisés et réversibles, pouvant être employés dans une application transport, ont été présentés. Puis, ces moyens ont été comparés afin d’identifier ceux qui présentent les caractéristiques susceptibles de convenir pour cette application. De cette comparaison, se dégage une orientation vers l’hybridation de supercondensateurs (sources de puissance) et d’accumulateurs électrochimiques au lithium (source d’énergie).
L’étape suivante consiste à passer en revue les moyens de stocker l’énergie actuellement utilisés dans les aéronefs. Les objectifs sont de situer ces moyens de stockage par rapport à ceux qui ont été précédemment listés et de comprendre comment ils sont intégrés dans les réseaux de bord et quelle est leur fonction dans la fourniture d’énergie électrique à l’aéronef.
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ES MOYENS DE STOCKAGE DE L’
ENERGIE DANS LES AERONEFSCe paragraphe présente un état de l’art des moyens de stockage utilisés dans les aéronefs. Dans un aéronef (avion ou hélicoptère), les divers systèmes énergétiques sont alimentés par des sources de nature différente : hydraulique, électrique et pneumatique.
FIGURE I-19 : DIFFERENTES NATURES D’ENERGIE DANS UN AERONEF CONVENTIONNEL [41]
Dans un avion conventionnel, l’énergie électrique permet le fonctionnement de nombreux auxiliaires tels que divers calculateurs, instruments de navigation, commandes d’actionneurs, éclairages, et autres charges liées au confort des passagers. Depuis quelques années, on s’oriente vers un avion « plus électrique », c’est-à-dire un avion où une partie de l’énergie hydraulique est remplacée par l’énergie électrique, notamment pour des systèmes de puissance (exemple : servocommandes). Cette évolution est rendue possible grâce aux progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance en termes de performances et de fiabilité. Les avantages de l’énergie électrique par rapport à l’hydraulique sont une mise en œuvre plus aisée et une réduction notable de la masse embarquée. Cette orientation « plus électrique », décrite précédemment pour les avions, s’applique également aux hélicoptères, dans une moindre mesure car la puissance disponible installée dans un hélicoptère est inférieure à celle des avions civils.
Pour appréhender les éléments de stockage dans les aéronefs, il est nécessaire de préciser au préalable leur environnement, autrement dit l’architecture électrique de l’aéronef. Dans les paragraphes suivants, on décrit comment l’énergie électrique est générée, puis distribuée et convertie, et enfin stockée pour trois types d’aéronefs : les avions dits « conventionnels », les avions « plus électriques » et les hélicoptères.
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