Supercondensateurs : technologie et applications

27 avril 2018 Dossier

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Pascal Venet

Professeur des Universités au laboratoire Ampère UMR CNRS 5005, Ecole Centrale de Lyon, INSA de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1.

Cet article présente le fonctionnement, les particularités et les applications d'un système de stockage d’énergie particulier, à savoir les super-condensateurs.

Si vous étiez sur les bancs de l’école il y plus d'une vingtaine d'années, vous avez certainement appris qu'un farad (F) était une unité très grande et qu'en conséquence l'utilisation de sous-multiples (pF, nF, mF) était nécessaire pour exprimer la capacité d'un condensateur.

Un composant d'une capacité de quelques F semblait alors irréalisable ! Cela n'est plus du tout vrai aujourd'hui puisque la conception d'un supercondensateur à supercapacité (de quelques F à quelques milliers de F) est devenue chose courante (cf. exemples figure 1).

Néanmoins comme la capacité de ce composant se dégrade très rapidement en fonction de la fréquence, celui-ci doit être réservé au domaine exclusif du stockage de l’énergie électrique (utilisation en courant continu).

Nous présentons dans cet article, comment la réalisation d'un tel composant est envisageable, quelles sont ses particularités (avantages et inconvénients) par rapport aux batteries et enfin quelles sont les applications où il est actuellement utilisé.

Principe et constitution

Il existe plusieurs catégories de supercondensateurs qui diffèrent, d'une part par la nature des électrodes et d'autre part par leur principe de fonctionnement propre. Les supercondensateurs évoqués dans cet article concernent ceux aujourd'hui commercialisés, compte tenu du faible coût de la matière première et du procédé industriel de fabrication, à savoir ceux à électrodes en charbon actif et à double couche électrique (cf. significations ci-dessous).

La constitution et le principe de ceux-ci sont représentés sur la figure 2.

Leur principe ne repose pas sur la présence d'un diélectrique (isolant) comme pour des condensateurs classiques mais sur celui d'une double couche électrique qui se crée à l'interface entre une électrode solide (matériaux poreux tels que le charbon actif) et un électrolyte liquide en présence d'un champ électrique.

Le stockage d'énergie pour ces supercondensateurs n'est pas réalisé grâce à un transfert de charges (comme pour les batteries) mais grâce aux interactions électrostatiques entre les ions de l'électrolyte liquide et les charges électroniques à la surface des électrodes. Lorsqu'une tension est appliquée entre les deux électrodes, les ions de l’électrolyte, sous l'influence du champ électrique, se dirigent vers l’électrode comportant des charges de signe opposé.

Les charges (électroniques du côté de l'électrode solide et ioniques du côté de l'électrolyte liquide) vont donc s'accumuler de part et d'autre des interfaces entre chaque électrode et l’électrolyte sans possibilité de passage dans l'autre milieu (tant que la tension est inférieure à celle minimale d’électrolyse) compte tenu de la nature très différente des porteurs de charge mobiles. Comme nous pouvons le constater sur la figure 2, il se forme une zone de charge d'espace appelée double couche électrique à chaque interface entre les électrodes et l’électrolyte.

L’énergie stockée est proportionnelle à la capacité. Or cette dernière est d'autant plus grande que la surface de la double couche est importante et que son épaisseur est faible. Cette dernière n'est que de quelques nanomètres parce qu'elle est liée aux diamètres des molécules du solvant de l’électrolyte. Cette très faible épaisseur associée à une très grande surface d’électrodes (jusqu’à 1000 à 3000 m²/g) grâce à l'utilisation de matériaux poreux tels que le charbon actif permet d'obtenir des capacités très élevées (de plusieurs milliers de farads pour les plus gros composants).

Par principe même, la tenue en tension de ce composant est limitée à quelques volts, ce qui correspond à la décomposition de l’électrolyte (transferts de charges par électrolyse).

L’électrolyte utilisé peut être soit aqueux, soit organique. Bien que l’électrolyte aqueux possède une meilleure conductivité ionique, sa tension de décomposition (liée au phénomène d’électrolyse) est relativement faible (aux alentours de 1 V) ce qui réduit d'autant sa tension maximale d'utilisation et par conséquent l’énergie stockable dans le composant puisque cette dernière dépend de la tension au carré.

L’électrolyte le plus employé est donc l’électrolyte organique qui possède une tenue en tension de l'ordre de 3V. L'électrolyte est un sel dissous dans un solvant organique qui est souvent de l'acétonitrile.

La présence d'acétonitrile constitue un problème du point de vue sécuritaire car en présence d'air il est inflammable et explosif lorsque sa concentration atteint entre 3 et 16 % du volume de l'air. Comme pour les batteries, on comprend donc aisément l'importance que révèle l’étude de la sûreté de fonctionnement d'un tel composant.

Le rôle du séparateur, support d’électrolyte, représenté sur la figure 2 est d’éviter le contact entre les deux électrodes et donc le court-circuit. C'est un conducteur ionique et un isolant électronique en général poreux afin de faciliter le transfert ionique de l'électrolyte vers les électrodes.

Positionnement par rapport aux batteries

Les supercondensateurs présentent une puissance massique plus importante que celle des batteries et une énergie massique plus grande que celle des condensateurs classiques.

Ceci est visualisable sur un diagramme de Ragone (cf. figure 3) représentant l’énergie massique en fonction de la puissance massique, pour les systèmes usuels de stockage d’énergie électrique.

Le réseau de droite iso-durée en pointillés peut nous indiquer les constantes de temps caractéristiques du même ordre de grandeur que les temps de charge et décharge des divers dispositifs de stockage. Ainsi les supercondensateurs répondent aux applications faisant appel à des puissances élevées sur des temps courts (de l'ordre de quelques dixièmes de seconde à quelques dizaines de secondes), ce qui les place à un niveau intermédiaire entre les batteries et les condensateurs.

Les supercondensateurs dominent les batteries usuelles actuellement les plus performantes, à savoir les batteries lithium-ion, pour leur temps de recharge très court, avec potentiellement des courants pouvant atteindre plusieurs centaines d'ampères (pour les composants de gauche sur la figure 1), un meilleur comportement à température négative et enfin une durée de vie supérieure.

Concernant ce dernier point, compte tenu de leur principe de fonctionnement, lié à des interactions électrostatiques et non à des mécanismes électrochimiques comme pour les batteries, le nombre de cycles de charge/décharge réalisables peut être estimé entre plusieurs centaines de milliers et un million. Il est de l'ordre du millier pour une batterie lithium-ion.

Il faut néanmoins prendre garde à ne pas faire de comparaison directe car cette quantité correspond au nombre de cycles après charge/décharge complète et les quelques milliers de cycles annoncés pour une batterie peuvent correspondre à quelques dizaines ou centaines de milliers si l'utilisation de la batterie est autour de 50 % de son état de charge (comme c'est le cas pour les batteries des véhicules hybrides où les états de charge se situent approximativement entre 40 et 60 %).

Les principaux avantages et inconvénients des supercondensateurs par rapport aux accumulateurs lithium-ion sont illustrés sur la figure 4. L'inconvénient majeur des supercondensateurs est leur énergie massique (et volumique) approximativement 20 fois moins importante que pour celle des batteries lithium-ion.

Applications

Les premières commercialisations des supercondensateurs ont été développées à la fin des années 1970 pour la sauvegarde de mémoire informatique (en cas par exemple de changement de pile). Cette application, encore très courante, concerne des composants souvent dénommés « gold capacitor » qui possèdent des capacités de quelques dixièmes à quelques dizaines de farads.

Entre la fin des années 1990 et le début des années 2000, les premiers supercondensateurs de puissance avec des capacités de plusieurs centaines ou milliers de farads et des courants de charge/décharge supérieurs à 100 A ont été commercialisés. Les applications concernées sont, comme nous l'avons vu précédemment, celles nécessitant des temps de recharge rapide (de l'ordre de quelques dixièmes de seconde à quelques dizaines de secondes).

Dans le domaine du transport, la récupération de l’énergie de freinage de véhicules est donc une application typique de leur utilisation. Ils sont employés par exemple dans des bus hybrides ou des tramways, l’énergie de freinage récupérée étant réutilisée lors des phases d'accélération des véhicules.

Pour les tramways, les supercondensateurs peuvent être alors soit embarqués, soit stationnaires, la récupération d’énergie pouvant atteindre plusieurs centaines de MWh/an.

Concernant le domaine de l'automobile, les supercondensateurs du système i-ELOOP de Mazda se rechargeant lors des phases de décélération sont ensuite utilisés pour la fonction « Stop & Start » et momentanément pour alimenter les auxiliaires du véhicule.

Nous pouvons aussi trouver des supercondensateurs (2 de 1200 F en série) dans plus d'un million de véhicules de PSA possédant la fonction « Stop & Start » baptisée « e-HDi ». Un système assez similaire vient d’être commercialisé sur des voitures du groupe General Motors.

D'autres applications de récupération de l’énergie de freinage existent comme pour les grues portuaires à motorisation hybride où les supercondensateurs sont alimentés lors de la descente des charges et restituent leur énergie en phase de levage.

Une part importante du marché des supercondensateurs de puissance se rapporte aux éoliennes. Ils permettent d'orienter leurs pales en fonction de la vitesse du vent pour optimiser l’énergie récupérable par l’éolienne et la mettre en sécurité en cas de vent trop violent.

Il existe des applications spécifiques comme celle relative à l'alimentation permettant l'ouverture d'urgence des 16 portes de l'Airbus A380 grâce à 54 supercondensateurs par porte en configuration redondante.

Comment ne pas évoquer une des applications la plus remarquable puisqu'il s'agit de la plus grande pelle hydraulique au monde pour le secteur minier (la 6120B H FS Cat® de Caterpillar) avec un poids en charge de 1400 tonnes et intégrant 98 modules (association de plusieurs supercondensateurs en série) de 125 volts chacun.

Ceux-ci stockent l'énergie lors de la décélération des balancements et lors des mouvements d'abaissement de la flèche et permettent d'alimenter le système électrohydraulique lorsque la machine nécessite un maximum de puissance, par exemple lors de la phase d'excavation ce qui permet de réduire la consommation de carburant de 25 % par tonne extraite.

Enfin, un fort marché potentiel concerne le stockage de l’énergie dans les réseaux d’énergie électrique. En effet, avec le développement des énergies renouvelables, la part de centrales électriques traditionnelles sera moindre et comme le stockage inertiel disponible dû aux alternateurs ne sera plus suffisant pour assurer la stabilité et la qualité du réseau (régulation de fréquence), le stockage par supercondensateurs sera le candidat idéal.

Conclusion

Les supercondensateurs pourraient être classés comme des sources de puissance puisqu'ils sont capables de fournir sans dommage des courants de charge et décharge élevés en un temps relativement court. Leur très bonne durée de vie et leur assez bon comportement aux températures négatives peuvent même en faire des concurrents aux batteries dans certaines applications.