BTS électrotechnique 1 ère anné Sciences physiques appliquées CH27 : Les sources d énergie autonomes Enjeu : Ces dernières années ont vu apparaître l avènement de nombreux appareils électriques portables (téléphone, ordinateur, appareil de mesure, ). Ceci a été permis en partie par les progrès réalisés sur les batteries. Parallèlement, avec les problèmes liés à la pénurie de pétrole annoncée, de nombreux projet de voiture à moteur électrique sont en cours. La grande contrainte reste de trouver des sources d énergie électrique de grande autonomie. Problématique : Quelles sont les solutions technologiques de production d énergie électrique autonomes et portatives ou tout au moins embarcables? Objectifs : A l issue de la leçon, l étudiant doit : 27.1 Connaître le principe de fonctionnement des piles chimiques 27.2 Connaître le principe de fonctionnement des accumulateurs 27.3 Connaître le principe de fonctionnement des piles à combustibles 27.4 Connaître les champs d applications, les avantages et les inconvénients de ces sources 1. Comment fonctionne une pile chimique? Le boîtier d'une pile abrite une réaction chimique entre deux substances dont l une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur), et l autre qui les absorbe (matériau oxydant). Une telle réaction est appelée une oxydoréduction. Historiquement, la pile volta fut la première construite (1800). Mais la plus connue est la pile Daniell (1836) qui est la première à fournir une source durable d énergie électrique. La pile Daniell est constituée de 2 demi-piles : o o La première demi pile est une lame de cuivre (Cu) qui baigne dans une solution de sulfate de cuivre (solution qui contient des ions Cu 2+ et SO 2-4 ) La deuxième demi pile est une lame de zinc (Zn) qui baigne dans une solution de sulfate de zinc (solution qui contient des ions Zn 2+ et SO 2-4 ) K + + Cl - K + Cl - Cu Zn Cu 2+ + SO 4 2- Zn 2+ + SO 4 2- Dans la 2 ème demi- pile, le métal zinc cède 2 électrons et se transforme en ion zinc Zn 2+ : Zn Zn 2+ + 2 (oxydation du zinc) La quantité de métal dans la 2 ème demi-pile diminue donc. Les électrons cédés migrent vers la 1ere demi-pile via le fil conducteur, la lampe et la lame de cuivre. Ils sont alors captés par les ions Cu 2+ qui se transforme en métal cuivre.
Cu 2+ + 2 Cu (réduction des ions cuivre) La quantité de métal augmente donc dans la deuxième demi-pile. Le mouvement d électrons obtenu forme un courant électrique qui circule dans la lampe. Les réactions dans chaque demi-pile ne sont possibles que si les solutions restent électriquement neutres. C est le pont salin qui remplie cette fonction en permettant la migration des ions K + vers la 1 ere demi pile (qui devient de moins en moins riche en ion positifs) et d ions Cl - vers la 2 ème demi-pile (qui devient de plus en plus riche en ion positifs). 2. Quelles sont les différents types de piles sur le marché? Les types de piles les plus courants sont les suivants (les dimensions peuvent légèrement varier d'un fabricant à l'autre) : IEC* Format Forme et dimension Tension LR01 N Cylindre, Longueur 30,2 mm, Diamètre 12,0 mm 1,5V LR03 AAA Cylindre, Longueur 44,5 mm, Diamètre 10,5 mm 1,5V LR06 AA Cylindre, Longueur 50 mm, Diamètre 14,2 mm 1,5V LR14 C Cylindre, Longueur 46 mm, Diamètre 26 mm 1,5V LR20 D Cylindre, Longueur 58 mm, Diamètre 33 mm 1,5 V LR12 1203 prisme dont la base est un rectangle aux coins arrondis, 67 mm 62 mm 22 mm 4,5V 6F22 PP3 parallélépipède rectangle, 69,9mm 34,5mm 34,5mm 9 V La Commission électrotechnique internationale (CEI) ou International Electrotechnical Commission (IEC) en anglais, est un organisme de normalisation s'occupant, entre autre, de l'électricité. 3. Quels sont les problèmes liés au recyclage des piles? Les piles sont des déchets dangereux. Elles contiennent des métaux (nickel- cadmium- mercur plomb - fer- zinc - lithium) dont certains sont toxiques et nocifs pour l'environnement. Le plomb et le mercure, notamment, sont des poisons pour les humains et les animaux. Les piles ne doivent pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais rapportées dans un point de collecte. En France, les vendeurs qui commercialisent des piles et des batteries sont tenus de les reprendre gratuitement une fois usagées. Les piles doivent ensuite être valorisées ou éliminées. Le recyclage permet de récupérer des métaux réutilisables. Mais les piles ne sont pas recyclables à 100 %. 4. Comment fonctionne un accumulateur? Un accumulateur est un système destiné à stocker de l'énergie électrique sous forme électrostatique (condensateur) ou électrochimique. Une batterie d'accumulateurs (plus communément appelé batterie) est un boîtier regroupant plusieurs accumulateurs identiques. La différence avec les piles est que les accumulateurs sont rechargeables. Il s y produit une réaction d oxydoréduction qui est réversible : la réaction est du même type que celle qui se produit dans une pile lors de la décharge. Lors de la charge, la réaction inverse se produit, permettant de recomposer ainsi les réactifs initiaux.
Les "piles rechargeables" sont en réalités des batteries d accumulateurs. Lorsque l'on parle d'éléments rechargeables on doit utiliser le terme d'accumulateur. 5. Quelles sont les caractéristiques importantes d un accumulateur? La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. elle est de la dizaine de volt. (typiquement 12, 24 voire 48 V). Le débit en courant d'un accumulateur se mesure en ampère. On parle également de puissance pour le débit en énergie (capacité à restituer un courant donné à une tension donnée). La capacité électrique se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mah (milliampère-heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb. 1 Ah = 1 000 mah = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mah ; L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (1 Wh = 3 600 J = 3,6 kj) La résistance interne, exprimée en ohm, limitant dans la pratique l'énergie totale restituée en fonction du courant de décharge et de la fréquence de ce courant. Enfin, une des caractéristiques importantes d'un accumulateur est sa masse et la densité massique d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer. Dans certaines applications, moins fréquente, le volume (en m 3 ou en litre) peut aussi jouer un rôle. 6. Quels sont les accumulateurs les plus répandus? Type Plomb-acide (le plus ancien : 1859 par le Français Gaston Planté) Nickel-Cadmium Ni-Cd Nickel-Metal Hydrure Ni-MH (1990) Lithium-ion Li Avantages Recyclage facile même si le plomb est polluant Durée de vie importante Charge rapide Stocke plus d énergie Peu polluant Supporte des courants importants Poids faible (haute densité énergétique) Inconvénients Durée de vie très variable qui dépend de l utilisation Cadmium très polluant Durée de vie plus faible S use sans s en servir (durée de vie 2 à 3 ans) Dangerosité en cas de mauvaise utilisation (explosion, ) Supporte des courants plus faibles Application Batteries de véhicules automobiles (à combustion) Usage industriel (Technologie interdite pour usage domestique depuis le 1 er juillet 2006) Accumulateurs domestiques (LR06, ), batteries de véhicules hybrides Téléphone portable Voiture et vélo électriques,
Tableau comparatif des différentes technologies : Type Énergie massique Tension d'un élément Durée de vie (nombre de recharges) Temps de charge autodécharge par mois Plomb 30-50 Wh/kg 2 V 200-300 8-16 h 5 % Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 1 500 1 h > 20 % Ni-MH 60-120 Wh/kg 1,25 V 300-500 2-4 h > 30 % Li-ion 110-160 Wh/kg 3,7 V 500-1 000 2-4 h 10 % 7. Comment fonctionne une pile à combustible? Une pile à combustible est un dispositif qui produit de l énergie électrique à partir d'un combustible et d'oxygène. La fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-oxygène. eau À l'anode a lieu la réaction suivante : Il y a donc production de 2 électrons par molécule de dihydrogène. L'ion H + passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique. À la cathode les ions H + sont consommés suivant la réaction :
Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule de dihydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène. Le fonctionnement d'une telle pile est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire. Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l oxygène (H 2 O), au soufre (H 2 S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique. Une des solutions envisagées est la production sur les plates formes ETM : l électricité produite est utilisée pour l hydrolyse de l eau pompée. 8. Existe-t-il d autres type de pile à combustible? Oui, notamment les piles à combustible au méthanol. Il en existe deux types : Les piles RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est utilisé pour produire l'hydrogène qui alimentera la pile. Les piles DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) : dans ces piles, le méthanol est directement oxydé.