Les supercondensateurs, l'avenir du stockage d'énergie

Les supercondensateurs, l'avenir du stockage d'énergie

Les supercondensateurs, également appelés ultracondensateurs ou condensateurs électrochimiques, constituent une classe de systèmes de stockage d'énergie électrique (EESS). Cette catégorie comprend également les condensateurs conventionnels, les batteries, les piles à combustible et les dispositifs de stockage d'énergie magnétique supraconductrice.

On dit souvent que les supercondensateurs comblent l'écart de performance entre les condensateurs conventionnels et les batteries rechargeables. Cette comparaison fait principalement référence à leurs caractéristiques de densité de puissance et d'énergie, qui les positionnent entre les condensateurs traditionnels (haute puissance, faible énergie) et les batteries (haute énergie, puissance plus faible).

Comment choisir entre condensateurs conventionnels, supercondensateurs et batteries rechargeables ?

Le choix d'un dispositif de stockage d'énergie dépend principalement de la rapidité avec laquelle l'énergie est nécessaire et de la durée de fonctionnement de l'appareil.

• Par exemple, si une lampe de poche doit fonctionner pendant plusieurs minutes, voire plusieurs heures, l'énergie doit être fournie lentement et en continu sur une longue période. Dans cette situation, une batterie est la meilleure option car elle peut stocker une grande quantité d'énergie. Cependant, elle ne peut pas fournir cette énergie très rapidement, car sa densité de puissance est relativement faible.
• En revanche, les systèmes de freinage par récupération dans l'industrie automobile utilisent souvent des supercondensateurs. Lors du freinage, une quantité importante d'énergie est générée en très peu de temps. Les supercondensateurs sont bien adaptés à cet usage, car ils peuvent absorber l'énergie rapidement et la restituer lors de l'accélération du véhicule.
• Les condensateurs conventionnels sont utilisés lorsqu'une fourniture d'énergie très rapide est nécessaire, mais seulement en très petites quantités et généralement pour des durées extrêmement courtes (de la microseconde à la milliseconde). L'une des applications possibles se trouve dans les flashs d'appareils photo industriels, où une courte impulsion de courant élevé est requise.

On constate que les supercondensateurs combinent les caractéristiques des deux systèmes. Ils sont conçus pour atteindre des valeurs de capacité nettement plus élevées. Leurs électrodes sont constituées de matériaux hautement poreux, principalement du charbon actif, qui offre une surface effective extrêmement grande. Au lieu de s'appuyer sur une couche diélectrique solide, les supercondensateurs forment une double couche électrique à l'interface entre la surface de l'électrode et l'électrolyte. Cette double couche ne mesure que quelques nanomètres d'épaisseur. Ainsi, ils offrent une densité d'énergie bien supérieure à celle des condensateurs traditionnels tout en conservant une densité de puissance considérablement plus élevée et une durée de vie plus longue que les batteries. La durée de vie plus longue provient du fait qu'une électrode de supercondensateur subit beaucoup moins de changements de phase chimique pendant les cycles continus de charge et de décharge qu'une batterie.

La relation et le compromis inhérent entre la densité d'énergie et la densité de puissance pour différents systèmes de stockage d'énergie peuvent être représentés à l'aide d'un diagramme de Ragone. Il s'agit d'un outil graphique qui compare les technologies de stockage d'énergie en traçant la densité d'énergie par rapport à la densité de puissance, généralement sur des échelles logarithmiques. En général, les batteries apparaissent dans la région de haute densité d'énergie mais de densité de puissance relativement faible, tandis que les condensateurs conventionnels occupent des régions de très haute densité de puissance mais de faible densité d'énergie. Les supercondensateurs (SC) ou condensateurs électrochimiques se positionnent entre ces deux technologies, démontrant une densité d'énergie modérée et une haute densité de puissance.

• Un condensateur conventionnel est comme un sprinter : il peut courir très vite mais sur une courte distance.
• Une batterie est comme un marathonien : plus lent, mais il continue pendant des heures.
• Un supercondensateur est le coureur de demi-fond : il va vite et transporte une quantité d'énergie convenable, bien que moins qu'une batterie.

Où sont-ils utilisés ?

Les supercondensateurs deviennent très populaires et couvrent une grande variété de secteurs.

Amélioration des performances des systèmes onduleurs (ASI)

Un système d'alimentation sans interruption (ASI) fournit une alimentation continue en cas de panne, permettant aux équipements connectés de fonctionner sans interruption et aux systèmes de secours de s'activer. Les supercondensateurs constituent une alternative prometteuse aux batteries au plomb étanches traditionnelles dans les applications ASI car ils peuvent stocker et restituer l'énergie très rapidement. Cette réponse rapide aide à compenser les courtes interruptions de courant et les fluctuations de tension, ce qui est critique lors du démarrage immédiat de générateurs de secours après une panne de courant. De plus, les supercondensateurs offrent une durée de vie nettement plus longue que les batteries, ce qui entraîne une réduction des besoins de maintenance et du coût total du cycle de vie.

Application aux solutions d'accès

L'intégration de supercondensateurs dans les systèmes d'accès électroniques, en particulier les serrures de portes électroniques, est devenue une tendance importante dans l'automatisation moderne des bâtiments et les solutions de sécurité. Les serrures électroniques à commande centrale sont généralement connectées à un réseau qui fournit l'alimentation et les signaux de commande. La serrure s'appuie sur des actionneurs électromécaniques pour déplacer physiquement le mécanisme de verrouillage. Il est important de disposer d'une batterie de secours ou de la capacité de passer automatiquement à un état prédéfini, verrouillé ou déverrouillé, en cas de panne de l'alimentation principale. C'est là qu'interviennent les supercondensateurs. Grâce à leur haute densité de puissance, leur capacité de charge-décharge rapide et leur longue durée de vie, les supercondensateurs aident à surmonter les principales limites des systèmes conventionnels à base de batteries dans les applications de contrôle d'accès.

Applications militaires et de défense

Les supercondensateurs sont utilisés dans une large gamme d'appareils et de systèmes, notamment les équipements de communication, les plates-formes de capteurs, les systèmes radar, les torpilles, les systèmes à impulsions électromagnétiques (EMP), les lanceurs de véhicules aériens sans pilote (UAV) et les systèmes de positionnement global (GPS). Dans les véhicules militaires et les systèmes blindés, les supercondensateurs fournissent une alimentation de secours fiable pour les unités électroniques et les systèmes de contrôle critiques fonctionnant dans des conditions extrêmes.

Applications médicales

Les supercondensateurs sont utilisés dans les appareils médicaux portables et mettables (tels que les analyseurs de gaz sanguins, les échographes à ultrasons et les défibrillateurs) ainsi que dans les dispositifs médicaux implantés (tels que les pompes à insuline, les stimulateurs cardiaques et les défibrillateurs).

Véhicules électriques hybrides, véhicules électriques et véhicules à pile à combustible

Dans les VE et les VEH, les supercondensateurs fonctionnent généralement aux côtés des batteries lithium-ion dans une configuration complémentaire. Lors du freinage par récupération, l'énergie cinétique qui serait autrement perdue sous forme de chaleur est convertie en énergie électrique. Les supercondensateurs peuvent absorber cette énergie rapidement grâce à leur haute densité de puissance et leur faible ESR. Lors de l'accélération, les véhicules nécessitent de courtes décharges de puissance élevée. Les supercondensateurs peuvent fournir cette puissance instantanément, réduisant ainsi la charge sur les batteries lithium-ion. En gérant ces fortes demandes de puissance, ils évitent un stress excessif sur les blocs-batteries. L'utilisation de supercondensateurs comme dispositif de stockage d'énergie est particulièrement viable dans les systèmes de transport public tels que les bus qui doivent s'arrêter fréquemment, car il faut quelques secondes pour les recharger. Ces soi-disant "capa-bus" circulent depuis plus de 15 ans à Sofia (Bulgarie), Graz (Autriche), Shanghai et Hong Kong (Chine) et Belgrade (Serbie).

Stabilisation du réseau et régulation de fréquence

L'intégration croissante des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne introduit de la variabilité et de l'incertitude dans les réseaux électriques modernes. La production renouvelable dépendant des conditions météorologiques, la production d'électricité peut fluctuer rapidement. Pour maintenir un fonctionnement stable, le réseau électrique doit équilibrer en permanence l'offre et la demande. Les supercondensateurs contribuent de manière significative à la stabilisation du réseau en fournissant une injection et une absorption d'énergie instantanées. Leur temps de réponse extrêmement rapide et leur haute densité de puissance leur permettent de réagir en quelques millisecondes aux changements soudains des conditions du réseau.

Systèmes de récupération d'énergie (Energy harvesting)

Les supercondensateurs servent de composants de stockage d'énergie hautement efficaces dans les systèmes de récupération d'énergie, où l'énergie électrique est collectée à partir de sources ambiantes telles que des vibrations mécaniques, des gradients thermiques ou de la lumière. Ces systèmes convertissent l'énergie autrement gaspillée en puissance électrique utilisable. Les appareils Internet des objets (IoT) à faible consommation nécessitent souvent des quantités d'énergie continues mais faibles pour faire fonctionner des capteurs, transmettre des données ou effectuer des calculs. En intégrant des supercondensateurs dans les systèmes de récupération d'énergie, les appareils IoT peuvent fonctionner sans fil et de manière autonome, éliminant ainsi le besoin de remplacements fréquents de la batterie. Cette capacité est particulièrement précieuse dans des endroits éloignés ou difficiles d'accès, tels que les stations de surveillance environnementale, les équipements industriels ou l'électronique portable.

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