Accumulateur
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Généralités
Un accumulateur est un système destiné à stocker de l'énergie.
- Souvent on sous-entend que l'énergie accumulée est de nature électrique, mais l'accumulateur est le plus souvent chimique, mécanique, ou hydraulique.
- On trouve des accumulateurs électriques (condensateurs), électrochimiques (piles ou batteries), hydrauliques (barrages), pneumatiques (air ou vapeur comprimée), thermiques (à eau par exemple) ou mécaniques (ressorts, volants de moment d'inertie important). Ces différents types sont détaillés ci-dessous.
Électricité
L'énergie électrique peut se stocker :
- de façon statique, en accumulant des charges électriques dans un ou plusieurs condensateurs ;
- de façon dynamique, en établissant un courant électrique dans un circuit, de telle sorte que l'énergie nécessaire pour mettre en mouvement les charges électriques puisse être restituée par « inertie ».
La durée de stockage de l'énergie reste faible même avec les meilleurs métaux conducteurs que sont l'argent et le cuivre en raison des pertes par effet Joule dans le circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux supraconducteurs. Cette technique reste à développer.
Compte-tenu des limites des techniques de stockage direct de l'électricité, le mot accumulateur désigne en électricité un dispositif réversible de conversion de l'électricité sous une autre forme d'énergie, et plus particulièrement un dispositif de conversion d'énergie électrique en énergie chimique, qui présente la caractéristique intéressante de fournir une tension (différence de potentiel) à ses bornes peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du courant débité.
Différents types de couples chimiques sont utilisés pour la réalisation d'accumulateurs électriques :
Plomb-acide
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit du système le plus ancien, mais aussi potentiellement l'un des plus polluants.
- C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisés dans la plupart des véhicules automobiles.
- L'accumulateur au plomb a été inventé par Gaston Planté qui observait l'électrolyse de l'eau acidulée. En essayant le plomb dans sa recherche de matières plus économiques que le platine, il remarqua que son appareil rendait de l'électricité lorsqu'on coupait l'alimentation; comme si l'oxygène et l'hydrogène pouvaient rendre l'électricité qui les avait produits.
- Il crut avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
- Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb.
- Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des batteries est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.
Ni-Cd (nickel-cadmium)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 volts. Ce couple électrochimique est l'un des plus couramment utilisé depuis plusieurs décénnies pour fabriquer des batteries d'accumulateur alimentant les appareils portatifs. Ce type d'accumulateur possède un fort effet mémoire, ce qui oblige leur stockage dans un état déchargé (0,6 volt). La fin de charge est caraterisée par une tension de charge dv/dt négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques pour arrêter la charge.
Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge plus importantes (de l'ordre de 10 fois) et présente une autodécharge naturelle beaucoup plus faible que le Ni-MH. Par contre le cadmium est très polluant. Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH (durée de vie supérieure)
Ni-MH (nickel-métal hydrure)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce type d'accumulateur ne présente pas de cadmium et est donc moins polluant. De plus, sa capacité volumique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd. Ce type d'accumulateur ne possède pas d'effet mémoire. La fin de charge est caraterisée par une tension de charge dv/dt nulle. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques pour arrêter la charge.
Li-ion (lithium-ion)
Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V.
- Il ne présente aucun (ou très peu ?) effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel.
- Permet une meilleure sécurité que les batteries au lithium (et rend l'ensemble non métallique), mais nécessite toujours un circuit de protection.
- Grâce aux propriétés physiques du lithium: le plus léger des métaux et au très grand potentiel électrochimique, les accumulateurs au lithium-ion sont légers et à haute densité d'énergie.
Li-Po
Appellation commerciale du Li-ion polymère. Version à bas coût des batteries Li-ion. Elle utilise une chimie semblable aux batteries Li-ion et a des caractéristiques proches. Elle peut être déposée sur un support flexible, ce qui permet de l'intégrer avec plus de souplesse dans les appareils mobiles.
Lithium
Les batteries à base de lithium peuvent se dégrader en chauffant au delà de 80°C en une réaction brutale et dangereuse. Pour éviter cela, elles sont toujours équipées d'un circuit de protection, d'un fusible thermique et d'une soupape de décharge. Elle doit être chargée en respectant des paramètres très précis et ne jamais être déchargée en-dessous de 2,5 V par élément. Les batteries au lithium-polymère tendent à remplacer les Lithium-ion, moyennant une légère perte de performances mais avec un gain en sécurité.
Brome
Actuellement au stade de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation de l'électrolyte et que, de plus, le brome est particulièrement dangereux.
Les couples étudiés sont: sodium-brome, vanadium-brome et zinc-brome.
Caractéristiques d'un accumulateur
- La capacité énergétique se mesure dans la pratique en Ah ou mAh, (milliampères heures), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb (1 C = 1 Ah/3600 = 0,278 mAh).
- L'énergie massique se mesure en Wh/kg (watt heure par kilogramme) mais l'unité officielle (SI) est le joule.
Tableau comparatif des différentes technologies
| Type | Énergie massique | Tension d'un élément | Durée de vie (nombre de recharges) | Temps de charge | auto-décharge par mois |
|---|---|---|---|---|---|
| Plomb | 30-50 Wh/kg | 2 V | 200-300 | 8-16h | 5 % |
| Ni-Cd | 48-80 Wh/kg | 1,25 V | 1500 | 1h | 20 % |
| Ni-Mh | 60-120 Wh/kg | 1,25 V | 300-500 | 2h-4h | 30 % |
| Li-ion | 110-160 Wh/kg | 3,7 V | 500-1000 | 2h-4h | 10 % |
| Li-Po | 100-130 Wh/kg | 3,7 V | 300-500 | 2h-4h | 10 % |
Voir aussi
Lien externe
Chaleur
- Dans les systèmes de chauffage domestique on utilise parfois la grande inertie thermique de certain matériaux brique, huile pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours de périodes où l'énergie est moins chère.
- Dans les fours à feux de bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four à emmagasiner la chaleur, est utilisée, encore de nos jours, à la confection de mets savoureux.
Couple, Mécanique
Pour aider certains moteurs dont le couple n'est pas permanent à avoir un fonctionnement régulier, ou pour atténuer les à-coups produits par une charge variable, on leur adjoint un système d'accumulateur d'énergie cinétique.
- Ce peut être un volant d'inertie, comme sur les anciennes machines à vapeur ou les très vieux moteurs agricoles diesel.
- Maintenant le volant est bien souvent intégré au moteur, sous forme de masses mobiles qui accumulent l'énergie cinétique pendant les périodes motrices et la restituent pendant les temps morts.