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Production et stockage électrochimiques de l’énergie électrique
Par J. F. Fauvarque

Historique



Est-il besoin de rappeler que le générateur électrochimique fut la seule méthode commode de production de courant pendant la période 1800-1875 avant la mise en service de la “ machine dynamo-électrique ” inventée par Zénobe Gramme en 1872 ? On doit notamment à leur utilisation la découverte de plusieurs éléments par électrolyse, des expériences en faveur de la théorie atomique, la découverte des lois de l’électricité et de l’électromagnétisme puis la mise en service du télégraphe et le développement industriel des traitements électrochimiques de surface (galvanoplastie, dorure, argenture…)

Ce fut Volta qui publia en 1800 que l’association de deux métaux différents et d’un conducteur de seconde espèce (un électrolyte) produisait du fluide électrique et que la mise en série (empilement) de tels générateurs augmentait la force du fluide électrique. De 1800 à 1835, la majeure partie des piles était constituée par le couple zinc - argent ou zinc – cuivre en milieu légèrement acide. Le fonctionnement de ces piles était rapidement limité par des phénomènes de “ polarisation ” aux électrodes. Il fallut attendre les travaux de Faraday qui publia en 1833 les lois de l’électrolyse pour que les savants de l’époque puissent concevoir des piles “ impolarisables ”. Le point de départ fut donné par Antoine Becquerel en 1829 “ la pile porte avec elle la cause des diminutions qu’éprouve continuellement l’intensité du courant électrique, car dès l’instant qu’elle fonctionne, il s’opère des décompositions et des transports de substances qui polarisent les plaques de façon à produire des courants en sens inverse du premier : l’art consiste à dissoudre les dépôts à mesure qu’ils se forment avec des liquides convenablement placés ”. Dans son mémoire A. Becquerel présentait la première pile impolarisable constituée par une lame de cuivre plongeant dans une solution de nitrate de cuivre et par une lame de zinc plongeant dans une solution de nitrate de zinc, les deux solutions étant séparées par une baudruche. Cette pile fut transformée en 1836 par John F. Daniell qui lui donna une forme cylindrique et utilisa un séparateur en porcelaine poreuse avec des solutions de sulfate. En 1839 William R Grove découvrit le principe de la pile à combustible hydrogène oxygène et présenta à l’Académie des sciences de Paris une pile de petites dimensions capable de fournir des intensités supérieures à celles de toutes les piles connues à l’époque. Les compartiments séparés par de la porcelaine poreuse étaient constitués d’une lame de zinc amalgamé plongeant dans de l’acide sulfurique pour le pôle négatif et d’une lame de platine plongeant dans de l’acide nitrique concentré pour le pôle positif. En 1841, Robert W E Bunsen apporta une amélioration décisive à la pile de Grove en remplaçant le platine par des électrodes de carbone préparées en mélangeant de la poudre de charbon de cornue et du goudron, puis moulées et cuites au four. La pile Bunsen fournissait des courants importants sous 2 volts et fut largement utilisée dans l’industrie jusqu’en 1875, malgré l’émission désagréable de vapeurs nitreuses produites par la réduction de l’acide nitrique. La pile de Bunsen était en quelque sorte une pile à combustible car ses constituants, produits industriels relativement bon marché, étaient remplacés après consommation. En 1859, Gaston Planté réalisa le premier accumulateur électrochimique pratique à base de plomb et d’acide sulfurique, destiné à l’époque à agir comme transformateur de puissance ou de tension. En 1868, Georges Leclanché breveta l’utilisation d’un dépolarisant solide : le bioxyde de manganèse. Un autre modèle de pile à dépolarisant solide fut introduit en 1882 par Lalande et Chaperon utilisant une solution de potasse comme électrolyte, du zinc amalgamé à la négative et de l’oxyde de cuivre à la positive. Ce système était rechargeable et constitua le point de départ des générateurs alcalins mis au point en 1902 par Waldemar Jungner en compétition avec Thomas Edison.

Les piles à anode de lithium apparurent en 1960. Après plus de 10 ans de recherches mondiales, ce fut le japonais Sony qui introduisit le premier sur le marché en 1990 l’accumulateur lithium ion. L’accumulateur Ni –MH est commercialisé depuis 1990.


Caractéristiques générales



La mise en service des générateurs tournants permit d’obtenir des courants beaucoup plus importants à des prix bien plus faibles. L’utilisation des générateurs électrochimiques fut donc rapidement limitée à certains usages particuliers liés à leurs caractéristiques.

La première caractéristique du générateur électrochimique est en effet l’autonomie. Il est utile et utilisé quand la connexion au réseau est impossible ou trop onéreuse. C’est le cas des systèmes mobiles, véhicules électriques par exemple, et des systèmes portatifs ou portables (téléphone).

La deuxième caractéristique des piles et accumulateurs actuels est la disponibilité. L’énergie est immédiatement disponible sans délai de mise en route, généralement en un temps inférieur à la milliseconde, imposé par la self-inductance du circuit. C’est une des raisons de leur utilisation comme générateurs de secours.

La troisième caractéristique des générateurs actuels est la souplesse. Dans la limite de leur puissance maximum, ils adaptent instantanément la valeur du courant à la puissance demandée. Comme pour tout générateur de courant, la puissance maximum est obtenue quand la résistance du circuit extérieur est égale à celle du générateur. A ce stade, le rendement énergétique n’est plus que de 50 % et le fonctionnement du générateur est instable. Le fonctionnement normal d’un générateur se situe en général à la moitié de la puissance maximale, au-dessus les pertes sont importantes et le générateur chauffe, au-dessous, le générateur est sur - dimensionné en puissance. Dans les piles, cette qualité est liée à la passivation des métaux formant l’anode.

La quatrième caractéristique des générateurs électrochimiques est la discrétion. Sans pièces tournantes, ils fonctionnent sans bruit ; fermés, ils n’émettent pas de polluant et généralement ne font l’objet d’aucun entretien ou de peu d’entretien ? Cette qualité n’est plus conservée intacte dans les piles à combustible. Dans ce cas, en effet, le système gère des flux et adapte les flux de combustible et de comburant à l’entrée à la puissance demandée tout en évacuant les produits de réaction et la chaleur produite.


Constitution



Revenons sur le fonctionnement d’un générateur électrochimique élémentaire. Il comprend des collecteurs de courant, conducteurs électroniques exclusivement, des masses actives et un séparateur, conducteur ionique exclusivement. La masse active positive est constituée par un couple rédox 1, majoritairement à l’état oxydé lorsque le générateur est chargé. Son potentiel en circuit ouvert est normalement donné par la loi de Nernst :

E = E° + RT/nF Ln [(Ox 1)/(Red 1)]

et fixe celui du collecteur de courant positif. La masse active négative est formée par un couple rédox 2, majoritairement à l’état réduit quand le générateur est chargé, son potentiel en circuit ouvert fixe celui du collecteur de courant négatif à une valeur inférieure à celui du collecteur positif. Entre les deux masses actives, un séparateur doit permettre le passage du courant électrique, mais pas celui des électrons, faute de quoi la masse oxydante oxyderait la masse réduite, le système serait en court-circuit et s’auto déchargerait. Le séparateur est donc exclusivement conducteur ionique. Le séparateur doit également empêcher la diffusion ou le transport de matière qui provoquerait une auto décharge du générateur ou sa mise en court-circuit (problème de l’argent colloïdal dans les accumulateurs zinc – oxyde d’argent). Pour cette raison les masses actives sont généralement des solides.
Si le circuit extérieur est fermé sur une résistance, la masse positive est mise en contact résistant avec la masse négative et son potentiel s’abaisse par rapport à sa position d’équilibre, il devient cathode et fournit des électrons à la masse positive qui se réduit. Simultanément, le potentiel de la masse négative augmente par rapport à son potentiel d’équilibre, elle devient anode et extrait des électrons de la masse négative qui s’oxyde. Les réactions inverses se produisent à la recharge si le générateur est rechargeable. La réaction chimique globale s’écrit :

Ox 1 + Red 2 = Red 1 + Ox 2


Il lui correspond une variation d’énergie libre ∆G négative (pouvant dépendre de l’état de charge des masses actives) liée au potentiel en circuit ouvert par la relation :

E = -∆G/nF valide si les potentiels des masses actives suivent la loi de Nernst.

La mesure des tensions en circuit ouvert constitue d’ailleurs une excellente mesure des potentiels chimiques.
Lors du fonctionnement d’une masse active, sa charge est modifiée par l’arrivée ou le départ d’électrons. Cette modification de charge doit obligatoirement être compensée par le départ ou l’arrivée d’ions. Dans le cas de l’accumulateur au plomb par exemple, nous avons :

positive : PbO2 + 2 H+ + 2 HSO4 - + 2 e = PbSO4 + 2 H2O

au cours de la décharge, cette masse active consommera des H+ apportés par migration ionique à partir de l’acide sulfurique contenu dans le séparateur.

Négative : Pb + HSO4 - = PbSO4 + H+ + 2 e

Au cours de la décharge, cette masse active consommera les ions hydrogéno sulfate et expulsera les ions H+ vers la masse positive (le transport du courant par les ions sulfate est relativement faible).

Les masses actives doivent donc présenter une double conduction : électronique et ionique, cette exigence de double percolation est contraignante et ne permet pas de réaliser des générateurs avec n’importe quel couple rédox. PbO2 est conducteur électronique et imprégné d’acide sulfurique conducteur ionique. MnO2 et NiOOH sont conducteurs électroniques, et conducteurs ioniques par H+ intercalé (par Li+ intercalé pour LixNiO2).


Force électromotrice



Il est difficile dans l’eau de conserver des masses actives à un potentiel très supérieur à celui de l’oxydation de l’eau en oxygène, l’oxyde de plomb PbO2 fait exception avec un potentiel rédox standard de 1,7 volt en milieu sulfurique.

Les masses actives positives sont souvent des oxydes métalliques dont les potentiels rédox standards sont situés au voisinage du potentiel d’oxydation de l’eau (MnO2, NiOOH, HgO, AgO, LixCoO2, …). Chauffés, ces composés libèrent de l’oxygène, ce qui peut limiter leur température d’utilisation.

Les masses actives négatives contiennent souvent des métaux plus réducteurs que l’hydrogène. Leur stabilité en milieu aqueux est conditionnée par la vitesse de réduction de l’eau en hydrogène à leur surface et à leur capacité à se passiver de façon réversible. Les courants d’échange de la réduction du proton en hydrogène croissent dans l’ordre :

Hg < Pb < Cd < Zn << Cu < Ni < Fe < Pt

Dans l’eau, la réduction des protons au contact du métal produit des ions hydroxyle qui passivent le zinc de façon réversible. Ce métal est particulièrement bien adapté à la réalisation des masses actives négatives des piles. Il y a quelques années sa stabilité vis-à-vis de l’eau était améliorée par amalgamation, ce qui est maintenant interdit. Si le zinc est en contact avec une particule d’un métal tel que Cu, Ni ou Fe, l’hydrogène se dégage sur ce métal et le zinc se corrode. Ce point doit être particulièrement surveillé lors de la fabrication des piles. Malheureusement la solubilité du zinc en milieu acide ou basique nuit à sa cyclabilité et les constructeurs ne savent toujours pas fabriquer des accumulateurs à base de zinc qui cyclent bien. Les accumulateurs aqueux utilisent du plomb en milieu acide ou du cadmium en milieu alcalin. On ne sait pas bien utiliser en milieu aqueux les métaux comme le magnésium ou l’aluminium qui se passivent ou se corrodent trop facilement selon les conditions (sauf en piles amorçables dont on n’arrête pas le fonctionnement)

En milieu non aqueux, le lithium, le plus léger et le plus électropositif des métaux, joue un rôle semblable. Une couche de passivation, perméable aux ions lithium, se forme à sa surface et empêche sa dissolution quand la pile ne fonctionne pas. La force électromotrice des générateurs au lithium peut atteindre 4 volts.
Chaque générateur électrochimique est caractérisé par une courbe de décharge et par une courbe de polarisation.
Capacité.
Un générateur électrochimique est caractérisé par sa tension nominale et par sa capacité en Ah. Dans un générateur bien conçu, le volume et la masse seront occupés principalement par les masses actives, souvent épaisses par rapport aux collecteurs de courant et au séparateur. La capacité d’un générateur est habituellement limitée par celle d’une des deux masses actives. Il est rare que cette capacité soit équilibrée au montage, ou le reste au cours du cyclage s’il s’agit d’un accumulateur. Dans une pile Leclanché, le boîtier est en zinc, donc surcapacitif par rapport au bioxyde de manganèse. Dans la pile alcaline, au contraire, c’est la masse de zinc qui limite la capacité, quand elle est usée, il n’y a plus de risque de formation d’hydrogène et donc plus de risque d’ouverture avec fuite d’électrolyte. Dans les accumulateurs étanches au plomb, ou alcalins, la masse négative est surcapacitive pour permettre la recombinaison d’oxygène lors de la surcharge sans risque de dégagement d’hydrogène.

La capacité massique la plus élevée des générateurs commerciaux est celle du couple Li/SOCl2 avec plus de 500 Wh/kg et plus de 1000 Wh/L. Cette capacité est souvent considérée comme faible par rapport à l’énergie thermique contenue dans un hydrocarbure 10kWh/kg. Mais un hydrocarbure ne produit pas seul de l’énergie électrique ! Avec la masse d’oxygène nécessaire à la combustion, l’énergie tombe à 2 kWh/kg soit au mieux 1000 Wh/kg avec un rendement de 50 %, sans compter la masse du moteur. Que dire si on compte le volume ! ou la masse d’air ! Dans le cas des vols spatiaux, l’énergie est assurée par des piles à combustible et non par des moteurs thermiques et en cas de besoin d’énergie de secours par des piles Li/SOCl2.

Pour l’électronique portable, l’énergie volumique compte plus que l’énergie massique. Les piles boutons zinc – air des prothèses auditives dépassent 1000Wh/L, les piles zinc – air sont relativement économiques, mais leur puissance est limitée par celle de l’électrode à air. Les piles boutons classiques sont des piles alcalines zinc – oxyde d’argent, relativement coûteuses. Les piles les plus courantes sont les piles alcalines zinc – MnO2 et les piles au lithium Li – MnO2 (3V) et Li – FeS2 (1,5 V) utilisées par exemple en photographie.

Les capacités des accumulateurs sont sensiblement plus faibles que celles des piles, environ 150 Wh/kg pour l’accumulateur Li-ion, 70 Wh/kg pour Ni/MH, 50 Wh/kg pour Ni/Cd, 35 Wh/kg pour le plomb. Il existe un facteur 3 à 7 entre les capacités théoriques du couple et la réalisation pratique en batterie d’accumulateur. Il ne paraît pas raisonnable que l’on puisse dépasser prochainement 200 Wh/kg, objectif des accumulateurs lithium –polymère. Des éléments expérimentaux sodium – soufre ont atteint 250 Wh/kg.

Les capacités volumiques sont plus importantes, voisines de 300 Wh/L pour Li –ion et Ni/MH développé spécifiquement pour leur capacité volumique élevée.
Les rendements de stockage de l’énergie varient selon les accumulateurs et les conditions d’utilisation, les rendements faradiques des accumulateurs aqueux peuvent atteindre 90 %, il est pratiquement de 100 % pour l’accumulateur Li –ion très peu sujet à l’auto décharge. Les rendements énergétiques dépendent naturellement des procédures de charge choisies. En limitant les surtensions à 10 % de la tension nominale, on obtiendra un rendement énergétique voisin de 80 %.

Actuellement les énergies renouvelables utilisent presque exclusivement les batteries au plomb pour le stockage de l’énergie, en raison principalement de leur coût, au maximum 1000 F par kWh stocké. Ces batteries sont malheureusement sensibles aux usages abusifs et leur durée de vie est souvent bien inférieure à celui du dispositif générateur, photovoltaïque par exemple.

Puissance.
La puissance maximum que peut fournir un générateur de tension E et de résistance interne R vaut E2/4R. La puissance des générateurs électrochimiques dépend de nombreux facteurs, notamment la conduction ionique et électronique des masses actives, variables avec l’état de charge, la résistance ionique du séparateur, la surface des collecteurs de courant par rapport au volume des masses actives. La construction spiralée, avec une grande surface de séparateur, améliore la puissance spécifique au détriment de la capacité. Il est fréquent d’ajouter des conducteurs électroniques (graphite) aux masses actives dont la conduction électronique est faible (MnO2). La diminution de l’épaisseur du séparateur augmente la puissance au détriment du risque de court-circuit et de l’autodécharge. La conductivité des électrolytes baisse en général beaucoup avec la température, avec parfois un risque de solidification. Les générateurs qui consomment leur électrolyte voient leur puissance beaucoup diminuer avec l’état de charge (pile Leclanché, batterie au plomb).

Les générateurs les plus puissants fonctionnent sous des densités de courant de l’ordre de 1 A/cm2.

La pile alcaline Zinc-MnO2 est relativement puissante. L’accumulateur alcalin zinc – oxyde d’argent, cyclable une vingtaine de fois, est très puissant et capacitif. Les grosses piles de puissance doivent être refroidies avec circulation de l’électrolyte dans des radiateurs, c’est le cas des piles propulsant les torpilles de 70 kW et plus, piles Li/SOCl2 à circulation d’électrolyte, piles aluminium – oxyde d’argent amorçables à l’eau de mer.

Réversibles, les accumulateurs sont toujours relativement puissants. L’accumulateur au plomb est utilisé principalement pour cet usage (démarrage des automobiles). L’accumulateur courant le plus puissant est l’accumulateur cadmium nickel, utilisé pour cela dans les outils portables, il conserve une bonne puissance à froid, mais chauffe assez fort à la décharge (point thermoneutre 1,45 volt pour une tension nominale de fonctionnement de1,2 volt). Il est utilisé pour le démarrage des avions et des hélicoptères. Une batterie-aviation de 40 Ah - 24 volts pèse 38 kg et peuvent fournir 1 600 ampères sous 18 volts.

La puissance spécifique des accumulateurs lithium ion est élevée, car leur tension est élevée et leur résistance interne faible, par construction. Il ne faut pas oublier que faire fonctionner un accumulateur en permanence à fort régime provoque inévitablement un échauffement important. C’est un problème sérieux pour le fonctionnement des accumulateurs dans les véhicules hybrides.

Les supercondensateurs à double couche électrochimique stockent relativement peu d’énergie (0,1 à 5 Wh/kg) mais peuvent être construits très puissants (1 à 10 kW/kg) car il n’y a pas de transfert d’électrons, qui ajoute une résistance de transfert aux chutes ohmiques. Ils présentent l’avantage d’une cyclicité théoriquement infinie.


Cyclabilité



La cyclabilité impose en pratique l’utilisation de masses actives solides. Les batteries sodium- soufre et sodium – chlorure de nickel, qui utilisent du sodium liquide et un séparateur en alumine béta, conductrice par ion sodium, sont des exceptions. Lorsque, à la décharge, une électrode de zinc se dissout dans la potasse pour former des ions zincates solubles, à la recharge, le métal zinc n’aura aucune raison de se redéposer à l’endroit où il s’est dissous. Il se produira au mieux une modification de la forme de l’électrode avec compaction du zinc et suppression de la percolation ionique, au pire une croissance dendritique du zinc qui traversera le séparateur et provoquera un court-circuit. Les électrodes métalliques des accumulateurs sont donc des électrodes de seconde espèce, qui forment un produit insoluble à la décharge : plomb – sulfate de plomb, cadmium – hydroxyde de cadmium. La cyclabilité varie en général en raison inverse de la solubilité des masses actives, positives ou négatives. Lorsque le fonctionnement de la masse active passe par la dissolution d’une espèce active (ion Pb2+ par exemple) la puissance du générateur sera directement liée à sa solubilité. Puissance et cyclabilité varieront donc en sens inverse dans la série des accumulateurs alcalins Zn/NiOOH, Cd/NiOOH, Fe/NiOOH.

La respiration des masses actives constitue un facteur important au manque de cyclabilité. La densité du plomb vaut environ 13, celle du sulfate de plomb environ 6, et celle de l’oxyde de plomb environ 9. Les plaques gonflent à la décharge, Il faut éviter à la recharge que le contact électrique soit rompu entre la masse active qui diminue de volume et le collecteur de courant. Les composés d’intercalation présentent en général des variations limitées de volume spécifique en fonction de l’état de charge et cyclent bien. C’est le cas du couple NiOOH / Ni(OH) 2, dont le fonctionnement électrochimique correspond à une intercalation de proton entre des feuillets d’oxyde de nickel dont la structure de base est conservée quelque doit l’état de charge. La durée de vie des électrodes de nickel est donc en général bien meilleure que celle des électrodes de cadmium. Dans le cas des hydrures métalliques, leur cyclabilité est liée d’une part aux variations de volume entre la phase hydrure et la phase non hydrurée et à la corrosion de la phase métallique. La meilleure cyclabilité des accumulateurs alcalins est obtenue avec une électrode négative à gaz hydrogène. L’accumulateur Nickel – hydrogène haute pression est utilisé sur les satellites géostationnaires (durée de vie 15 ans) en raison de leur grande fiabilité, cyclabilité, capacité et puissance élevée. Mais leur capacité volumique est faible et leur coût très élevé. La cyclabilité de l’accumulateur lithium – ion est élevée car son fonctionnement correspond à une désintercalation du lithium d’une électrode de carbone graphité pour aller s’intercaler dans une structure d’oxyde métallique.
Chaque type d’accumulateur présente en outre des dégradations spécifiques au cyclage, mais le plus important est de respecter les conditions d’utilisation. L’accumulateur au plomb est très sensible aux usages abusifs, l’accumulateur cadmium – nickel très robuste. L’accumulateur lithium – ion cycle très bien si on évite la surcharge, la surdécharge ou les incursions dans des plages de températures trop élevées ou trop basses.
En prenant un coût de 1000 F par kWh stocké et 2000 cycles potentiels, on obtient un surcoût d’investissement de 0F,50 par kWh, comparable au coût du kWh fourni par le réseau. Le stockage électrochimique de l’énergie électrique se justifie donc pour récupérer des énergies “ gratuites ” (photovoltaïque, éolienne,…) dont la production est déphasée par rapport à l’utilisation, ou pour stocker en heures creuses de l’électricité excédentaire , utilisés en heures pleines au moment ou son coût serait élevé et sa disponibilité aléatoire, sans oublier, bien sûr , les systèmes autonomes ou portables.


Les piles à combustible (0,6 à 0,8 V par élément)



La majeure partie des générateurs examinés jusqu’ici étaient des systèmes fermés, Les piles à combustible sont des systèmes ouverts où il convient d’adapter les flux d’entrée (combustible, comburant) et de sortie (produits, chaleur) à la puissance électrique demandée

Ces systèmes de fourniture d'énergie électrique diffèrent des batteries citées ci-dessus dans la mesure ou l'énergie n'est ici pas stockée dans les électrodes (matières actives) mais dans des réactifs qui sont apportés au fur et à mesure des besoins de la pile (commandés par les besoins de l'utilisateur). L'avantage essentiel de ces systèmes est de dissocier la "fonction puissance" de la "fonction énergie" ; il est ainsi possible d'optimiser le cœur de pile pour la puissance, l'énergie étant apportée par la quantité de réactifs transportée dans des réservoirs appropriés. Ces réactifs sont classiquement des fluides, généralement de l'hydrogène pour l'électrode négative alors qu'à la cathode, celle-ci utilise l'oxygène présent dans l'air environnant, qui n'est donc pas transporté. Cette fois, l’avantage paraît être à l’hydrogène (40 kWh/kg) par rapport aux hydrocarbures, mais c’est oublier que les meilleures façons de stocker l’hydrogène ont une capacité de l’ordre de 7 %. L’avantage principal de la pile à combustible est double : elle produit de l’eau non polluante ; son rendement énergétique est très élevé, notamment en cogénération. Bien sûr, à puissance maximum le rendement électrique sera inférieur à 50 %, mais à basse puissance il peut atteindre et dépasser 70 %, bien supérieur à celui des moteurs thermiques.

Les difficultés associées aux piles à combustible sont la complexité des électrodes à gaz : à la double percolation ionique et électronique doit s’ajouter une percolation gazeuse, et le mauvais fonctionnement de l’électrode à air qui présente une surtension élevée surtout à basse température même en utilisant des catalyseurs à base de métaux nobles.

Dans les applications aux transports particuliers, la seule technologie qui apparaît utilisable actuellement est celle des piles à membrane dites "PEMFC" notamment. En effet l’utilisation d’un électrolyte solide, conducteur ionique sélectif, permet d’éviter le noyage et l’assèchement des électrodes liés aux modification de régime. La puissance massique du cœur de pile est dans ce cas de l'ordre de 500 W/kg, mais son coût du kW reste encore trop élevé pour observer une généralisation de ce type de système. Les coûts les plus importants sont ceux de la membrane (en polymère perfluoré pour résister à l’oxydation) et ceux des plaques bipolaires qui assurent la jonction électrique entre éléments, mais aussi l’arrivée et la distribution des gaz, l’évacuation de l’eau et de la chaleur.

Dans le domaine stationnaire, d'autres filières existent comme celle à l'acide phosphorique fonctionnant vers 200°C, celle comportant des carbonates fondus fonctionnant vers 700/850°C, celles à électrolyte composé d'oxydes conducteurs ioniques fonctionnant à 850/1000°C. L'avantage de ces deux derniers systèmes est qu'ils permettent l'utilisation d'à peu près n'importe quel carburant, mais ne sont envisageables facilement que pour de gros systèmes.

Actuellement, seules les piles alcalines sont commercialisées, toutes les autres sont à l’état de piles de démonstration ou en développement. Mais les usines de production de PEMFC devraient commencer à produire en 2002.

Systèmes rédox.
Comme les piles à combustible, les systèmes rédox sont des systèmes ouverts. Ils ont pour objectif de stocker l’énergie électrique excédentaire sous forme de fluides contenus dans des réservoirs adaptés et de la restituer à la demande. Théoriquement un dispositif électrolysant l’eau et capable de fonctionner comme pile à combustible en transformant l’hydrogène et l’oxygène, constitue un système rédox. Actuellement, on ne sait pas électrolyser l’eau efficacement à moins de 2 volts par élément et récupérer beaucoup mieux que 0.7 V par élément, soit un rendement énergétique voisin de 30 %. Les systèmes rédox ont pour ambition de faire beaucoup mieux, 70 % et plus. Les systèmes zinc – chlore et zinc – brome ont été largement étudiés aux USA, Le chlore étant stocké sous forme d’hydrate de chlore solide et le brome sous forme de tribromure d’ammonium quaternaire. D’autres systèmes envisagent le chlorure chromeux à la négative et d’autres des composés du vanadium à la positive comme à la négative. Il n’y a pas encore de systèmes commercialisés.


Conclusions



Les systèmes électrochimiques permettent des applications dans différents domaines de la vie économique, notamment dans les applications aux transports lourds ou légers.

Suivant l'application considérée, les accumulateurs, la pile à combustible et les super condensateurs sont plus ou moins bien adaptés et le choix, ainsi que leur association doivent être effectués en fonction des objectifs qui doivent être privilégiés pour chacune de ces applications.

En tout état de cause, les systèmes électrochimiques présentent la propriété remarquable de pouvoir transformer de l’énergie chimique en énergie électrique et réciproquement et ce, dans des conditions, voisines de la réversibilité thermodynamique, sans émission de polluant, sans nuisances sonores et très peu de conditions de maintenance. Leur coût, relativement élevé, limite encore leur utilisation à des applications particulières.

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