Les supercondensateurs offrent au marché du stockage énergétique des avantages considérables. Pourtant, peu de concepteurs semblent conscients de l'existence de ces composants, petits mais puissants.
C'est peut-être pour cela que certains analystes estiment que les supercondensateurs restent un marché de niche confidentiel et que leur prix élevé, ainsi que leur manque de visibilité dans le secteur, les empêchent d'être plus largement adoptés. Mais ils voient aussi de plus en plus dans ces dispositifs une technologie aboutie, avec un éventail d'applications toujours plus large. Par exemple, Market Tech Research estime que les supercondensateurs généreront un chiffre d'affaires de 3,5 milliards de dollars en 2020 dans le domaine du stockage de l'énergie et qu'ils représenteront alors 5 % de ce marché.
La région Asie-Pacifique a su passer en tête de tous les autres marchés régionaux pour devenir un important fabricant de supercondensateurs en 2012, notait un récent rapport de Transparency Market Research (TMR). Les progrès réalisés dans des applications telles que le freinage régénératif, les VEH, les systèmes micro-hybrides de démarrage/arrêt ou les applications aéronautiques et militaires ont stimulé la croissance des technologies de supercondensateurs. Ces applications nouvelles et innovantes devraient considérablement aider le marché mondial des ultracondensateurs à se développer dans les prochaines années.
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Les supercondensateurs, également appelés ultracondensateurs ou condensateurs électroniques double couche (electronic double-layer capacitors, EDLC), ont un rôle de plus en plus important à jouer dans les systèmes de stockage de l'énergie. Elon Musk, PDG de Tesla Motors, aurait déclaré que ces condensateurs finiraient même par remplacer la technologie des batteries classiques. En quoi les supercondensateurs et les ultracondensateurs sont-ils différents de leurs homologues plus répandus ? Comment se comportent-ils par rapport aux batteries et aux cellules à carburant ? Quelles sont les marges de croissance et quel est l'espace applicatif de ces condensateurs sous stéroïdes ? C'est à ces questions que répond cet article.
Différences offertes par les superconducteurs
Les supercondensateurs sont des condensateurs électrochimiques dont les densités d'énergie sont plusieurs fois supérieures à celle des condensateurs classiques. La quantité d'énergie pouvant être stockée dans un condensateur par rapport à son volume s'appelle la densité énergétique. Cette densité se mesure de façon volumétrique (en unités de volume) et s'exprime en watts-heure par litre (Wh/l).
Par rapport aux batteries, les supercondensateurs présentent une faible résistance interne, ce qui signifie qu'ils peuvent atteindre des densités de puissance élevées (figure 1). La densité de puissance désigne la vitesse à laquelle l'énergie peut être fournie à une charge ou absorbée à partir de celle-ci.
Figure 1: puissance maximale des supercondensateurs. (Source : rédacteur)
Un autre avantage des supercondensateurs est leur vitesse de chargement et de déchargement. Ces dispositifs se chargent et se rechargent en absorbant et en libérant des ions. Leur faible résistance interne en série leur permet de charger et de décharger des courants élevés sans endommager les composants.
Les deux principaux inconvénients des condensateurs sont leur faible tension par cellule et leur mauvaise adaptabilité aux circuits c.a. et aux hautes fréquences. Selon la composition de leurs matériaux, la charge de tension de leurs cellules peut varier de 2,1 V à 4 V, mais la valeur type est de 2,7 V. Si une application nécessite une tension supérieure, plusieurs cellules doivent être connectées en série.
Les dispositifs à supercondensation s'adaptent mal aux circuits c.a. et aux hautes fréquences en raison de problèmes de constante de temps. Pour les supercondensateurs, la constante de temps RC n'a pas le même sens que pour les condensateurs classiques, où elle fait habituellement référence aux filtres.
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Une des façons d'utiliser les constantes de temps RC est de mesurer le temps nécessaire pour charger et décharger le condensateur. Ces durées sont de grande importance pour les applications de puissance et d'énergie utilisant des condensateurs pour stocker l'énergie. Les constantes de temps RC des condensateurs classiques sont de l'ordre de quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. À l'inverse, les supercondensateurs présentent des constantes de temps RC d'environ une seconde. Cette réponse plus lente est due à leur plus forte capacité (Farads).
Or, cette capacité élevée en fait l'instrument idéal pour stocker de l'énergie. Si on les compare à d'autres dispositifs de stockage d'énergie, comme les batteries, les supercondensateurs sont considérés comme extrêmement rapides. Ils sont donc la solution idéale pour les applications devant stocker et restituer l'énergie par pics rapides, comme dans le cas du freinage régénératif.
« Autrefois, la capacité des condensateurs à fonctionner comme un "magasin d'énergie" était tellement dérisoire qu'on ne les a jamais sérieusement considérés comme une solution possible », rappelle Jamil Kawa, scientifique chez Synopsys. . « L'apparition des supercondensateurs et des ultracondensateurs a considérablement augmenté la capacité volumétrique disponible pour stocker l'énergie. Celle-ci n'est pas encore comparable à celle des batteries ou des cellules de carburant, mais elle en est suffisamment proche pour pouvoir la concurrencer, d'autant que les supercondensateurs possèdent des qualités supérieure à celles des batteries. »
Les batteries sont depuis longtemps la norme en matière de stockage d'énergie. Comment peuvent-elles être supplantées par un condensateur, même « super » ? Tout d'abord, les batteries perdent leur capacité de rechargement après plusieurs centaines ou milliers de cycles. Or, d'un point de vue strictement pratique, les condensateurs ont des cycles de chargement et de déchargement qui peuvent durer toute leur vie.
Ensuite, ils présentent une résistance interne extrêmement faible par rapport à celle des batteries. Ils sont capables de fournir une puissance instantanée (énergie par unité de temps) supérieure à celle des batteries. « C'est un facteur très important », explique J. Kawa. « Bien qu'une batterie puisse contenir davantage d'énergie qu'un supercondensateur concurrent, ce dernier peut délivrer une puissance instantanée plus élevée. »
Enfin, pour les applications de l'Internet-des-Objets (IdO) dotées d'un mécanisme de récolte d'énergie, la possibilité d'intégrer des dispositifs de stockage d'énergie aussi puissants dans un puce est un besoin impératif. Les supercondensateurs et les micro-batteries sont de bons candidats pour ce type de besoins.
Comparaison entre les supercondensateurs et d'autres technologies de stockage de l'énergie
Comment les supercondensateurs se comportent-il face à d'autres dispositifs de stockage comme les batteries ou même les cellules de carburant ? La figure 2 compare les catégories et les performances des batteries et des supercondensateurs dans le tableau des densités de puissance et d'énergie. Les cellules de carburant sont en tête du peloton s'agissant de la densité d'énergie, mais présentent une densité de puissance assez faible. Les batteries, de manière générale, ont encore une densité d'énergie supérieure à celle des supercondensateurs, mais ces derniers les talonnent, certains les surpassant même largement en densité de puissance.
Figure 2 : batteries rechargeables contre supercondensateurs pour les solutions de stockage sur puce. (Source : avec l'aimable autorisation de Synopsys)
Applications
Aujourd'hui, les supercondensateurs et les ultracondensateurs servent à stabiliser des charges fluctuantes et à assurer le chargement rapide des appareils électroniques mobiles. Ces dispositifs capacitifs servent aussi de tampons de puissance afin d'atténuer les fluctuations de tension, etc.
Les supercondensateurs et les ultracondensateurs de grande taille sont de plus en plus utilisés dans les applications industrielles nécessitant un couple initial élevé. Les supercondensateurs plus petits, surtout ceux qui peuvent être intégrés dans des modules au format compact, alimenteront des applications où il n'est pas possible de les remplacer par des batteries, par exemple dans des situations de récolte d'énergie.
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Dans la plupart des applications, les supercondensateurs ne remplaceront pas les batteries, mais coexisteront vraisemblablement avec elles. Selon J. Kawa, les dispositifs à supercondensation seront utilisés lorsque des niveaux élevés de puissance instantanée seront nécessaires, ainsi que dans les situations nécessitant des rechargements rapides ou des technologies de récolte d'énergie. Les batteries seront nécessaires pour les « périodes sombres », lorsque les sources d'énergies renouvelables sont intermittentes.