Séminaire « Stockage d`énergie : état de l`art, problématiques

Billet d’étonnement
Séminaire « Stockage
d’énergie : état de l’art,
problématiques »
Réalisé par Claire EA, avec la participation de Louis GRIVOTBRUNHES
Le 14/04/2014
SOMMAIRE
Introduction ______________________________________________________________________ 3
Programme ______________________________________________________________________ 3
Note d’observation _________________________________________________________________ 4
Le stockage d’énergie aujourd’hui : panorama des technologies et des marchés __________ 4
1.

Le stockage d’énergie en batterie : panorama des technologies _____________________ 4

Quels marchés aujourd’hui et demain ? ________________________________________ 5
2.
Focus : les batteries au lithium _________________________________________________ 6

Les batteries au lithium aujourd'hui ____________________________________________ 6

Et demain ? ______________________________________________________________ 6
3.
Sécurité et fiabilité des batteries : un enjeu majeur__________________________________ 7

Quelles batteries ? _________________________________________________________ 7

Quels risques dans quelles conditions ? ________________________________________ 7

Quelles solutions ? ________________________________________________________ 8
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Billet d’étonnement : Séminaire « Stockage d’énergie »
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INTRODUCTION
Le séminaire « Stockage d’énergie : état de l’art, problématiques » qui s’est tenu le 3 avril 2014 sur le
technopôle Savoie Technolac a été organisé par le programme Cap’tronic en partenariat avec l’INES,
le CEA et Serma Technologies.
Les intervenants ont dessiné un état des lieux du marché du stockage d’énergie dans les batteries
aujourd’hui, et se sont intéressés à l’avenir de ce marché : enjeux et problématiques liés à ces technologies, perspectives de développement, nouveaux marchés. Une place importante a été accordée aux
batteries lithium, qui apparaissent comme l’avenir du stockage dans les batteries.
PROGRAMME

Présentation de Cap’tronic et Serma
 Présentation de Cap’tronic – Serge VIDAL | Cap’tronic
 Présentation de Serma – Laurent CALLET | Serma Technologies

Marchés et technologies
Nicolas MARTIN, Resp. du laboratoire des systèmes électriques intelligents | CEA-INES

Focus technique sur quatre technologies de stockage
 Accumulateurs électrochimiques et cas de la technologie Plomb Acide – Rémy
CHRISTIN | INES, Laboratoire du stockage électrochimique
 Technologies Nickel Cadmium (NiCd) et Nickel Metal Hybride (NiMH) – Romain
TESSARD, Ingénieur | LITEN/DTS/LSEC
 Les batteries Li-ion, Mathieu MARTINEZ, Expert technique | Serma Technologies
 Technologie des supercondensateurs, Philippe AZAÏS | CEA LITEN, DEHT

Battery Management Systems (BMS) : fonctions-logiciel
Romain TESSARD, Ingénieur | LITEN/DTS/LSEC


Sécurité et fiabilité des batteries
Pascal GOUEREC, Energy project leader | Serma Technologies

Domaines d’intervention techniques – Etudes de cas
Pascal GOUEREC, Energy project leader | Serma Technologies

Focus sur trois types d’applications
 Le stockage dans les smart-grids – Nicolas MARTIN, Responsable du laboratoire des
systèmes électriques intelligents | CEA-INES
 Les applications nomades – Mathieu MARTINEZ, Expert technique | Serma
Technologies
 Battery Monitoring System – Gihslain DESPESSE | CEA-LETI

L’offre PME du CEA. Comment aider les enterprises à intégrer de l’innovation dans
leurs produits ? – Jean-Philippe BLANC, Business developper | CEA

Retour d’expérience PME
 FREEMENS – Alexandre COLLET, Président
 TECSUP – Robert TERRIER, Directeur technique & Luc MERMILLOD, Chargé
d’affaires
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NOTE D’OBSERVATION
1. Le stockage d’énergie aujourd’hui : panorama des technologies et
des marchés

Le stockage d’énergie en batterie : panorama des technologies
Les intervenants ont présenté plusieurs technologies de stockage : batteries au plomb, batteries NiMH
et batteries au lithium. Enfin, l’un des intervenants a proposé une brève comparaison des batteries et
des supercondensateurs. Les batteries au lithium ayant occupé une place particulièrement importante
au cours du séminaire, elles font l’objet d’un chapitre à part dans ce rapport.
La technologie au plomb représente aujourd’hui 80% du marché du stockage par batteries. Les
batteries plomb-acide sont notamment utilisées comme batteries de démarrage. Il est aujourd'hui
possible d’alléger considérablement le poids de ces batteries en remplaçant le plomb massif par une
grille en carbone sur laquelle est déposée du plomb. Les batteries au plomb présentent plusieurs
inconvénients, notamment leur sensibilité à la température et leur taux d’autodécharge (perte de 5%
de capacité par mois environ). Un autre inconvénient du plomb est sa nocivité, compensée cependant
par un très bon taux de recyclage : c’est ainsi que 17 millions de batteries Plomb sont recyclées
chaque année en France. Recyclées à 90 ou 95%, elles représentent plus de 80% du plomb utilisé
pour fabriquer de nouvelles batteries. Cette technologie, mature, coûte peu cher et offre un bon
rendement. En outre, elle présente peu de risques du point de vue de la sécurité.
Les batteries NiMH remplacent aujourd'hui les batteries NiCd. Technologie mature, supportant très
bien la surcharge et ne nécessitant pas de BMS (battery management system) pointu, les batteries
NiMH ne posent pas de problème spécifique de sécurité et ont une bonne cyclabilité. En revanche,
elles présentent un taux d’autodécharge important, ont une durée de vie limitée à forte température et
un rendement limité lorsque la température baisse. En outre, le prix de l’électrode négative est en
augmentation, en raison de l’utilisation d’alliages métalliques contenant des terres rares. Les
perspectives d’innovation concernent principalement l’amélioration de la tenue en cycle à haute
température. Le développement de la technologie Nickel-Zinc pourrait permettre d’obtenir des
batteries à haute cyclabilité.
Les supercondensateurs, peu connus du grand public, existent depuis une trentaine d’années
environ. Leur fonctionnement est basé sur le déplacement d’ions au sein d’un matériau très poreux : il
ne s’agit donc pas d’une réaction électrochimique. Les supercondensateurs permettent, au contraire
des batteries, de stocker beaucoup de puissance mais peu d'énergie. Ils ont en revanche comme
inconvénient une tension relativement faible : ils ne sont donc guère utilisables en cellule unitaire, et il
faut en assembler plusieurs pour augmenter la tension. Faciles à recycler, ils présentent peu de
risques d’emballement thermique ou de départ de feu, et peuvent fonctionner sur une très grande
plage de température. Leur coût est relativement peu élevé. Leur taux d’autodécharge est beaucoup
plus élevé que celui des batteries, mais ils présentent en revanche l'avantage d'une grande cyclabilité,
quasi illimitée dans le temps. Leur profil de décharge étant linéaire, ils permettent en outre de savoir à
tout moment quelle quantité d’énergie reste emmagasinée, au contraire des batteries sans avoir
recours à un système de gestion complexe. Recherchés pour leur robustesse, les supercondensateurs sont utilisés sur le marché des petits composants pour l’électronique (jouets, téléphonie…) et
sur le marché de forte capacité (alimentation des systèmes Stop & Start sur certaines voitures). Ce
dernier se développe (470M$ en 2013), quoique moins rapidement que prévu en raison de la
concurrence des batteries lithium-ion. Une tendance actuelle est de coupler les deux technologies.
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
Quels marchés aujourd’hui et demain ?
On distingue trois types de marchés pour les batteries : le stockage stationnaire, qui comprend
l’alimentation sans interruption et le stockage dans les réseaux ; les applications portables ; les
applications embarquées, notamment les batteries de démarrage et le marché des véhicules
électriques.
En ce qui concerne le stockage stationnaire, le stockage dans les réseaux devrait décoller dans les
années à venir. Il s’agit d’un marché naissant, très surveillé. Si l’hydraulique est la principale
technologie concernée, les installations de batteries, quoique peu nombreuses, sont cependant de
l’ordre du MW/h.
Avec l’intégration croissante des énergies nouvelles renouvelables – peu prévisibles, peu contrôlables
et intermittentes – et une augmentation importante de la consommation d’énergie due à de nouveaux
usages, la question du rôle du stockage d’énergie dans les réseaux intelligents, ou smart grids, est
particulièrement d’actualité. En effet, le stockage doit permettre d’améliorer la flexibilité des réseaux
afin de réduire le coût des infrastructures réseaux – la production d’énergie représentant moins de
50% du coût de l’électricité – et d’améliorer les outils de gestion des réseaux, notamment en
contribuant à l’équilibre entre production et consommation et en réduisant les pertes.
Le stockage a également un rôle à jouer dans l’optimisation de l’autoconsommation, forte tendance de
fond découlant de la transformation du consommateur en « prosumer » produisant lui-même de
l’énergie.
Le stockage dans les réseaux représente donc un marché potentiel important, malgré la concurrence
d’autres méthodes apportant au réseau de la flexibilité (pilotage de la production, pilotage de la
consommation, échanges inter-réseaux). Il devient de plus en plus évident que le mono-usage n’est
pas viable ; cependant, le multi-usage s’avère difficile en raison d’un marché dérégulé qui est passé
d’un acteur intégré à une séparation des différents business électriques et à une multiplication des
acteurs.
Le développement des micro grids fondés sur de la production décentralisée, dans les îles et les pays
émergents principalement, représente également une opportunité non négligeable pour le stockage
énergétique.
Les applications nomades comprennent, entre autres, les téléphones portables, les tablettes, les
GPS, les appareils photo ou encore les drones. Ce marché, très dynamique, devrait continuer sa
croissance dans les années à venir, poussé par les pays émergents. La technologie lithium, dont le
coût est en forte baisse (voir schéma ci-dessous), y concurrence les technologies NiMH, et a explosé
dans les années 2000, permettant des gains considérables en autonomie. Le coût reste cependant un
obstacle à la généralisation des batteries au lithium. Le NiMH, quant à lui, prend le pas sur les
batteries Nickel-Cadmium, très polluantes et qui seront interdites pour les consommateurs d’ici 2016.
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Quant au marché de l’embarquée (véhicules électriques, hybrides, hybrides rechargeables), les
technologies lithium-ion y sont dominantes, mais il fera également la part belle au micro-hybride et au
plomb. Comparé au marché total des batteries, ce marché est en forte croissance, mais il ne sera
cependant pas le principal levier d’augmentation du marché total. En 2020, il est probable que le
véhicule standard continuera à représenter un peu plus de 50% du marché de l’automobile.
Le marché des batteries lithium-ion a donc encore une grande marge de croissance, notamment pour
l’application mobilité. Si le marché du NiMH diminue drastiquement, le plomb, en revanche, a encore
de beaux jours devant lui, notamment pour l’automobile et l’UPS, et de nouvelles innovations
viendront encore améliorer ces technologies.
2. Focus : les batteries au lithium

Les batteries au lithium aujourd'hui
Les premières batteries au lithium sont nées dans les années 1970 : il s’agissait alors de batteries LiPolymère, technologie encore utilisée aujourd'hui (dans la Blue Car de Bolloré par exemple). C’est
dans les années 1990 que Sony a lancé la batterie Li-Ion. A l’heure actuelle, différents matériaux
d’anode et de cathode permettent de moduler les batteries en agissant sur leur tension, leur
résistance à la température…
Le lithium présente deux caractéristiques principales : une très haute tension, qui en fait un réducteur
très efficace, et une faible densité. En outre, leur taux d’autodécharge est faible. Le lithium peut être
réutilisé à 95%, et il existe encore de nombreux gisements non exploités, en Amérique du Sud
notamment. Les batteries au lithium présentent cependant plusieurs inconvénients : un coût élevé,
une forte sensibilité à la surdécharge, et une dangerosité importante.
En effet, les batteries lithium-ion présentent des risques importants d’emballement thermique,
d’explosion, de gonflement, de déchirure, de fumée, de départ de feu… Dans près de 60% des cas, la
cause est un court-circuit interne, mais d’autres raisons peuvent conduire à la défaillance d’une
batterie au lithium : défaillance de la carte de protection, défaillance utilisateur, défaillance système…
(voir schéma ci-dessous) Le recours à un système de sécurité est donc indispensable.

Et demain ?
L’expansion de l’utilisation des batteries au lithium est aujourd’hui limitée par leur coût ainsi que par
leur autonomie, encore relativement faible. De nombreux développements sont cependant en cours :
c’est ainsi qu’au sein de la PME Tecsup, qui conçoit, fabrique et distribue des solutions d’énergie
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électrique et d’éclairage, les ventes se partagent à parts égales entre plomb et lithium ; mais 95% des
développements actuels concernent les technologies au lithium.
A l’horizon 2020, le développement de batteries lithium-soufre devrait permettre d’améliorer
l’autonomie des véhicules électriques pour monter jusqu’à 300 km. Cette technologie est actuellement
en développement par plusieurs entreprises.
Les années 2030-2040 devraient voir le développement des batteries lithium-air, qui offrent une
énergie théorique importante et une grande autonomie. Cette technologie, quoique prometteuse,
présente actuellement deux défauts majeurs : d’une part, ces batteries fonctionnent à des
températures élevées, supérieures à 80°C ; d’autre part, on observe une très grande variabilité de leur
capacité spécifique de stockage.
Enfin, le développement des batteries lithium-ion organiques pourrait permettre l’utilisation d’une
technologie verte et de matériaux disponibles en quantité illimitée. A l’heure actuelle, cette technologie
présente les mêmes problèmes que les batteries lithium-air : une capacité spécifique de stockage
limitée et un potentiel variable.
3. Sécurité et fiabilité des batteries : un enjeu majeur

Quelles batteries ?
L’actualité récente a souligné la nécessité de s’intéresser à la question de la sécurité des batteries :
en 2013, les avions Dreamliners de Boeing ont été immobilisés au sol plusieurs mois en raison de
d’un problème de court-circuit interne dans des batteries au lithium. Un peu plus tôt, en 2010, un
cargo UPS transportant des batteries au lithium s’était écrasé à Dubaï, tuant deux membres de
l’équipage, à la suite d’un départ de feu.
Or si les batteries au lithium ne sont pas les seules à poser des problèmes de fiabilité, les batteries
plomb-acide pouvant elles aussi se révéler instables, la question de la sécurisation des batteries Li
devient de plus en plus critique avec le développement des véhicules électriques. C’est ainsi qu’en
octobre 2013, une voiture électrique Tesla a pris feu suite à la perforation du pack batterie, le véhicule
ayant percuté une pièce métallique présente sur l’asphalte. Potentiellement instables, réagissant
fortement avec l’eau, nécessitant une très bonne maîtrise des procédés de fabrication en raison de
leur design en couches minces, les batteries au lithium imposent donc de réfléchir à la maîtrise de ces
risques.

Quels risques dans quelles conditions ?
La sécurité des batteries doit bien sûr être considérée lorsque celles-ci sont en opération, mais
également durant leur stockage. En effet, les batteries vieillissent, se dégradent dans le temps : la
notion de conditions de stockage est donc une notion critique. La croissance du marché des
applications nomades pose également la question du transport des batteries et des risques qui y sont
liés. C’est ainsi qu’entre 1991 et 2010, 113 accidents d’avion, cargos ou avions commerciaux, ont été
causés par des batteries, principalement en raison d’un défaut de packaging ou d’une mauvaise
manipulation.
Ce constat a poussé certains producteurs de batteries, dont Energizer, Panasonic ou encore SAFT, à
se regrouper au sein de la PRBA, la Portable Rechargeable Battery Association, association créée
pour réfléchir aux conditions de transport des batteries.
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
Quelles solutions ?
La protection des batteries se fait à plusieurs niveaux :
-
-
Au niveau de la cellule, en travaillant sur son isolation et sur l’ajoute de soupapes pour
prévenir la surcharge :
Au niveau électronique, avec le recours à des modules de protection (PCM ou PCB)
permettant de prévenir surcharge et sous-décharge, les forts courants, les hautes
températures.
Par l’utilisation d’un BMS (Battery management system) permettant de contrôler la tension, le
courant, la température, d’équilibrer les cellules…
Les BMS classiques permettent d’assurer le fonctionnement de la batterie dans des conditions
sécurisées, via le monitoring des tensions et de la température. Ils permettent également d’améliorer
la performance de la batterie en équilibrant les cellules pour optimiser l’énergie disponible. Des
fonctions avancées peuvent permettre une plus grande flexibilité d’utilisation : équilibrage dynamique,
régulation des tensions de sortie à la demande, utilisation d’accumulateurs d’état de santé différent et
de chimie différente…
Enfin, de nombreuses normes concernant tant les batteries alcalines que les batteries au plomb ou les
batteries au lithium s’attachent à règlementer la fabrication et l’utilisation de ces moyens de stockage
pour en assurer la sécurité. C’est ainsi que la règlementation concernant les batteries au plomb exige
des essais électriques et mécaniques, tandis que la règlementation concernant les batteries au
lithium, classées marchandises dangereuses, exige des essais électriques, des essais mécaniques et
thermiques, et impose des règles de conditionnement.
Côté transport, les batteries NiCd et NiCM ne sont actuellement soumises à aucune limitation. En
revanche, le transport des batteries Li-ion en soute est très limité pour les passagers, le transport
en compartiment étant préféré car permettant une meilleure surveillance.
Du point de vue du stockage, certaines conditions sont à respecter, notamment concernant la
température et l’état de charge des batteries stockées. En outre, un suivi des stocks est
indispensable : suivi régulier des tensions et des résistances internes, recharge de la batterie si
nécessaire, adoption du principe du FIFO (first in first out).
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