Stockage pour les énergies renouvelables : évaluation et modélisation de la batterie plomb-acide

par Frédéric Coupan

Thèse de doctorat en Sciences et technologies ; Physique

Sous la direction de Henri Clergeot, Laurent Linguet et de Henri Clergeot.

Soutenue le 26-01-2017

à Guyane , dans le cadre de Diversités, santé et développement en Amazonie (Cayenne) , en partenariat avec Université de Guyane (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Mansot.

Le jury était composé de Isabelle Pierrejean.

Les rapporteurs étaient Marie-Cécile Pera, Philippe Thomas.


  • Résumé

    Ce travail comprend deux volets. Un premier volet plus « stratégique » concernant l’importance du stockage pour les énergies renouvelables. Un deuxième volet de plus en plus technique et de plus en plus précis concernant le positionnement du stockage électrochimique, la place qu’y tient la batterie Plomb Acide, les variantes technologiques, pour arriver à une modélisation électrochimique détaillée du type de batterie retenu. Dans le premier volet, le chapitre 1 de la thèse met en évidence le bon positionnement du stockage électrochimique pour les besoins des énergies renouvelables. Vis-à-vis des fluctuations aléatoires de la ressource, le temps est un élément important de la discussion : temps de stockage d’une part, temps de mobilisation de l’énergie stocké d’autre part. A cet égard, le cahier des charges pour le lissage de production d’une unité connectée au réseau est bien différent des applications de stockage pour un système de production autonome. Le deuxième chapitre devient plus technique, à l’occasion de la comparaison de la batterie au plomb avec les autres systèmes de stockage. L’idée directrice est d’appuyer cette discussion sur des arguments liés au bases physiques de fonctionnement des composants étudiés : c’est en même temps un prétexte pour commencer l’introduction de principes de bases d’électrochimie qui seront développés et utilisés par la suite. On a raisonné sur trois grandes familles : accumulateurs (exemples batterie au plomb, NiMH, Lithium ion), systèmes de type redox ou plus généralement combustible externe (exemple pile à combustible) et super capacités. Comparaison globalement peu flatteuse pour les performances moyennes de la batterie au plomb, sauvée par son bon rapport performances/prix. Le troisième chapitre entre dans le détail des variantes technologiques, qui démontre une grande flexibilité permettant des compromis pour s’adapter à des besoins spécifiques très variés. On s’est attaché à chercher les aspects spécifiques peu explorés pouvant mener à des améliorations, notamment au niveau de mécanismes réactionnels mis en évidence récemment, 2 En particulier au niveau de l’électrode positive (en liaison notamment avec la mise en évidence par Pavlov d’une phase intermédiaire entre PbO2 et l’électrolyte, de gel Pb(OH)2, aux propriétés mal élucidées). Nous avons placé dans ce chapitre une analyse détaillée de l’hydrolyse, prenant en compte la recombinaison directe de O2 et H2 à l’électrode négative citée également par Pavlov. Ces éléments seront directement repris et complétés au chapitre 4 en modélisation. Le chapitre 4, consacrée à la modélisation et l’expérimentation est l’aboutissement du travail progressif d’introduction de bases d’électrochimie appliquées à la batterie. Il va souligner le rôle central des mécanismes de diffusion/migration dans le fonctionnement. Un premier volet « mathématique » concerne une approximation des équations de diffusion par un réseau de composants discret, optimale du point de vue du nombre de composants. Le modèle global de la batterie peu schématiquement être décomposées en trois grandes fonctions : diffusion, activation, hydrolyse. Ces fonctions sont interconnectées, mais on s’efforcera de les introduire successivement sous forme découplée (au moins de façon approchée). Une première étape est d’obtenir, en grande partie à partir d’expérimentations spécifiques, des valeurs réalistes des paramètres du modèle. Les simulations effectuées démontrent la capacité du modèle à décrire correctement le comportement de la batterie dans les situations les plus variées.

  • Titre traduit

    Storage for renewable energies : evaluation and modeling of the lead-acid battery


  • Résumé

    This work has two parts. A first more "strategic" part concerning the importance of storage for renewable energies. An increasingly technical and increasingly precise part concerning the positioning of the electrochemical storage, the position of the Lead Acid battery, the technological variants, to arrive at a detailed electrochemical modeling of the type of battery retained.In the first section, Chapter 1 of the thesis highlights the good positioning of electrochemical storage for the needs of renewable energies. With respect to the random fluctuations of the resource, time is an important element of the discussion: storage time on the one hand, time of mobilization of stored energy on the other hand. In this respect, the specification for the production smoothing of a unit connected to the network is quite different from the storage applications for a stand-alone production system.The second chapter becomes more technical, when comparing the lead-acid battery with the other storage systems. The guiding idea is to support this discussion on arguments related to the physical basis of functioning of the components studied. At the same time, it is a pretext to begin the introduction of basic principles of electrochemistry that will be developed and used by the after. There are three main families: accumulators (examples lead acid battery, NiMH, Lithium ion), redox systems or more generally external fuel (example fuel cell) and super capacitors. Overall comparison unflattering for the average performance of the lead battery, saved by its good performance / price ratio.The third chapter explains the technological variants, which shows a great flexibility that allows compromises to adapt to a wide variety of specific needs. Attention has been given to identifying specific aspects which have not been explored and which can lead to improvements, in particular in the context of recent reaction mechanisms, 2In particular, at the positive electrode (linked in particular with the Pavlov demonstration of an intermediate phase between PbO 2 and the electrolyte, of Pb (OH) 2 gel, with poorly elucidated properties). In this chapter we have placed a detailed analysis of the hydrolysis, taking into account the direct recombination of O2 and H2 at the negative electrode also cited by Pavlov. These elements will be taken up and completed in Chapter 4 in modeling.Chapter 4, devoted to modeling and experimentation, is the culmination of the progressive work of introducing electrochemical bases applied to the battery. It will underline the central role of dissemination / migration mechanisms in the functioning.A first "mathematical" aspect concerns an approximation of the diffusion equations by a discrete component network, optimal in terms of the number of components. The overall model of the battery schematically be broken down into three main functions: diffusion, activation, hydrolysis. These functions are interconnected, but efforts will be made to introduce them successively in decoupled form (at least in an approximate manner). A first step is to obtain, largely from specific experiments, realistic values of the parameters of the model.


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