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Un modèle original de système de stockage de l'électricité

26.06.2009

Un modèle original de stockage de l’électricité, faisant appel aux batteries à flux continu au vanadium redox, a récemment fait l’objet d’une thèse de doctorat soutenue avec succès au Laboratoire d’électronique industrielle (LEI) de l’EPFL.


Le stockage de l’électricité est appelé à jouer un rôle croissant dans l’économie électrique, dont la dérégulation est en train de modifier en profondeur l’industrie électrique européenne. Les avantages des systèmes de stockage de l’électricité sont nombreux, que ce soit dans la gestion de l’offre et de la demande, ou la maîtrise de la qualité de l’électricité,  tout en favorisant l’intégration des énergies renouvelables.

Depuis l’apparition de l’électricité, de nombreux systèmes de stockage ont été développés. Certains ont atteint le niveau d'installation de démonstration, seuls quelques-uns sont commercialisés. Les stations de pompage assurent le stockage de l'électricité avec succès depuis plus d'un siècle, mais les endroits appropriés sont devenus rares aujourd'hui. Parmi les autres technologies basées sur la mécanique, l’électricité ou l’électrochimie, les super-capacités, le stockage sous forme d'air comprimé et plus récemment les batteries "vanadium redox" ont fait l'objet d'études approfondies au Laboratoire d’électronique industrielle (LEI).

Le stockage électrochimique est un moyen efficace de stocker l'énergie électrique. Dans les technologies émergentes, les batteries à flux continu sont d'excellents candidats pour les grandes installations de stockage. Parmi celles-ci, celles au vanadium deredox (VRB vanadium redox flow battery) se distinguent particulièrement par leur faible coût et leur simplicité. Afin de mieux connaître leurs propriétés, Christian Blanc, assistant au Laboratoire d’électronique industrielle (LEI) a mené un travail de doctorat ambitieux couvrant les domaines de l'électricité, de l’électrochimie, de la thermodynamique et de la mécanique des fluides. Un modèle original de batterie à flux continu a été développé.

 

 

Les batteries à flux continu stockent l'électricité et la génère par une réaction d'oxydoréduction entre les ions de vanadium dissous dans les électrolytes qui circulent entre les réservoirs et les cellules de réaction. C'est pourquoi la capacité énergétique dépend de la quantité d'électrolyte stocké dans les réservoirs, tandis que la puissance dépend de la taille et du nombre de cellules composant la pile.

Une bonne connaissance de la chimie de la batterie VRB est nécessaire, pour comprendre les principes qui en gouvernent le comportement. Une étude systématique des réactions redox de la batterie VRB a permis de déterminer la tension de la pile dans n'importe quelle condition de travail. Le modèle original détermine aussi constamment les concentrations de vanadium, dans les réservoirs ou dans les cellules, elles sont fonction du courant électrique et du débit d'électrolyte.

Le modèle simplifié des pertes internes permet de prédire les performances de la batterie VRB au travers d'une série de cycles de charge et décharge à courant constant. Les efficacités électrochimiques ont ainsi pu être déterminées et validées par comparaison avec les données expérimentales.

Le modèle électrochimique est complété par un modèle mécanique qui permet de déterminer les pertes mécaniques dues à la circulation des électrolytes. Basé sur la mécanique des fluides, ce modèle comporte une partie analytique chargée de déterminer les chutes de pression à l’intérieur des tuyaux et réservoirs ainsi qu’une partie numérique. Utilisant la méthode des éléments finis, cette dernière permet de prendre en compte la complexité de la géométrie de la pile, qui ne peut être décrite analytiquement.

La combinaison de ces deux modèles forme le modèle original de la batterie VRB.  Ce dernier est un moyen puissant d'identifier les sources des pertes et, par là d'améliorer la performance de la batterie. Par exemple, une nouvelle série de charges et décharges a mis en évidence l'existence d'une stratégie de contrôle optimale qui permet d’améliorer le rendement énergétique d’au moins 10% en adaptant constamment le débit de l’électrolyte en fonction des conditions réelles d’opération.

 

Plus d'information

 

Thèse de doctorat

 

Contact : Dr Christian Blanc

Biographie : Sous la direction du Professeur Alfred Rufer, Christian Blanc, assistant au Laboratoire d’électronique industrielle (LEI), a soutenu avec succès sa thèse intitulée "Modeling of a Vanadium Redox Flow Battery Electricity Storage System".

Christian Blanc