Ce grand dossier sur les supercondensateurs est un recueil de tout ce qu'il faut savoir pour bien connaître ce système de stockage d'électricité qu'est le supercondensateur. Pour avoir un point de vue d'ensemble plus résumé, nous invitons le lecteur à consulter en premier lieu la page "C'est quoi un supercondensateur ?".

Ce dossier sur les supercondensateurs explique ce qu'est un supercondensateur, ses applications, son mode de fonctionnement et son potentiel d'amélioration. De nombreuses technologies peuvent être utilisées pour concevoir des supercondensateurs performants, nous ferons donc le tour des différentes technologies existantes, de leurs potentiel et des avancées de la recherche. Enfin, nous parlerons de ce que pourrait être le supercondensateur idéal : le système de stockage de l'énergie ultime.

Ce document sera mis à jour régulièrement selon les avancées de la recherche et les nouvelles utilisations des supercondensateurs.

SOMMAIRE

• Introduction
• L'essor du photovoltaïque
• Les batteries et les supercondensateurs vont être améliorés
• Les batteries
• Les supercondensateurs
• Convergence batterie-supercondensateur
• Un retard de recherche sur les supercondensateurs qui va se combler
• Comment fonctionnent les supercondensateurs ?
• Schéma d'un supercondensateur
• Compréhension récente des interactions moléculaires
• Taille de pore idéale
• Simulation par dynamique moléculaire
• Mise en exergue d'un problème de sur-écrantage
• Encore beaucoup de choses à découvrir
• Autres données expliquées par modélisation moléculaire
• Les différents types d'électrolytes
• Les électrolytes organiques
• Les électrolytes aqueux
• Le liquide ionique
• La matière active des électrodes - structures de carbone
• Le charbon actif (ou carbones activés)
• Les oignons de carbone
• Les carbones dérivés de carbures métalliques (CDC)
• Le graphène et les nanotubes de carbone (NTC)
• Les pseudo-supercondensateurs
• Les matériaux redox nanostructurés pour augmenter la capacité
• Les supercondensateurs hybrides
• L'association supercondensateur - batterie
• Le supercondensateur idéal
• Création d'un matériau hybride à base de graphène et de nanotubes de carbone
• Une nouvelle mousse de graphène ultra-légère, mais robuste
• Des sandwiches de graphène et nanotubes de carbone dopés à l'azote
• Les annonces farfelues, les confusions et les non-dits
• Densité d'énergie et densité de puissance
• Faire la différence entre batterie et supercondensateur
• Des annonces parfois ambiguës
• Des buzz injustifiés
• L'implication de "monsieur tout le monde" peut booster la recherche
• Comment faire connaître les supercondensateurs
• Liste non exhaustive des scientifiques travaillant sur les supercondensateurs
• Conclusion
• Remerciements
• Sources

Introduction

Beaucoup d'attention se porte aujourd'hui sur les supercondensateurs. Ce dispositif de stockage de l'énergie électrique possède en effet un grand potentiel d'amélioration grâce au développement des nano-technologies et à la meilleur compréhension que nous avons aujourd'hui des interactions moléculaires qui ont lieu lors du stockage d'énergie dans un supercondensateur.

Avec le monde de l'après-pétrole qui se profile dans un horizon qui se rapproche dangereusement, des moyens de plus en plus conséquents sont mis en oeuvre par des entreprises et des pays du monde entier pour améliorer les moyens de production d'électricité à partir d'énergies renouvelables : solaire thermique, solaire photovoltaïque, éolien...

L'essor du photovoltaïque

Les nombreux sceptiques face au développement du photovoltaïque seront bientôt conquis par cette technologie qui deviendra très rapidement la première source d'énergie mondiale. Les subventions pour l'installation de panneaux solaires dans les pays développés ont en effet permis d'amorcer la pompe dans un premier temps. Par la suite, la baisse continue du montant de ces subventions a caché au consommateur un fait important : le prix des panneaux solaires hors subvention est en baisse forte et continue depuis une dizaine d'années.

Seule l'année 2013 n'a pas connu une baisse significative du prix des panneaux photovoltaïques. Ceci est dû aux mesures anti-dumping prises par l'union européenne à l'encontre des producteurs chinois de panneaux solaires. L'évolution des prix de gros des panneaux solaires est accessible depuis cette page :
http://www.solarserver.com/service/pvx-spot-market-price-index-solar-pv-modules.html

Le photovoltaïque est une technologie à croissance exponentielle

Ainsi, Daniel Lincot - directeur de recherche au CNRS et spécialiste du photovoltaïque - explique : "L’énergie solaire fait partie de ces évolutions qui ont une courbe de croissance exponentielle, à l’instar d’internet ou même de la téléphonie mobile. Au début personne ne l’utilise, personne n’y croit, puis très vite, tout le monde en a. C’est ce type de progression que connait le photovoltaïque depuis 20 ans. La progression a été de 800% entre 2000 et 2008 soit une croissance annuelle de 40%." cf :Interview de Daniel Lincot : A l'aube d'une révolution énergétique.

Déjà, dans certaines régions du monde, les panneaux solaires sont devenus rentables hors subvention pour une implantation sur de très grandes surfaces (mais cela nécessite encore un investissement initial non négligeable). La baisse des prix se poursuivant, de plus en plus de régions du monde pourront profiter d'une production électrique à un prix inférieur aux moyens de production traditionnels.

Au vu de ces données, les pays qui envisagent la voie risquée du nucléaire devraient réfléchir à deux fois avant d’engager des investissements pour construire des centrales nucléaires qui devront durer 50 ans et plus, alors que l'énergie nucléaire deviendra plus onéreuse que le solaire photovoltaïque dans les années qui viennent.

Les grandes centrales photovoltaïques sont beaucoup plus rapides à créer que les centrales nucléaires et elles deviendront très vite de plus en plus rentables. Les particuliers ne seront pas en reste, car lorsque les panneaux solaires deviendront rentables hors subvention, il n'y aura plus besoin de faire de l'intégré au bâti, condition aujourd'hui requise pour obtenir les aides. Les systèmes d'installation du solaire pourront être simplifiés et le coût de la main d'oeuvre nécessaire à l'installation de panneaux photovoltaïques sur toiture sera alors considérablement réduit.

Le photovoltaïque organique : cellules solaires de troisième génération

Enfin, viendra la révolution du film photovoltaïque organique, qui est la troisième génération de cellules photovoltaïques. Ce film photovoltaïque pourra bientôt être produit en masse par système d'impression roll-to-roll (comme l'impression de journaux) et à faible coût, tout en ne nécessitant plus de métaux précieux ou rares comme l'argent et l'indium. Le photovoltaïque organique a par ailleurs l'avantage d'être moins sensible aux ombres portées et aux mauvaises orientations. Les films solaires organiques peuvent en plus être intégrés dans des matériaux souples ou dans des vitrages semi-transparents. De quoi créer toute une gamme de matériaux, de murs ou de mobiliers producteurs d'énergie. cf : www.filmphotovoltaique.com.

Le souci de la production d'énergie étant bientôt résolu, il faudra néanmoins améliorer les moyens de stockage de l'électricité. Les centrales au gaz, le STEP (pompage-turbinage) et le smart grid pourront dans un premier temps pallier l'intermittence de la production d'électricité issue de l'énergie solaire. Sur un plus long terme, la solution passera par l'interconnexion au réseau électrique de millions de "prosumers", telle que le décrit Jeremy Rifkin en parlant de la troisième révolution industrielle (cf : interview de Jeremy Rifkin en septembre 2014). Mais si l'on veut pouvoir se passer de pétrole, notamment dans le domaine qui en consomme le plus : le transport ; il est primordial de mettre l'accent sur le développement de meilleurs systèmes de stockage d'énergie.

Les batteries et les supercondensateurs vont être améliorés

L'indépendance énergétique est un enjeu majeur pour nos sociétés. L'énergie a déjà fait l'objet de nombreuses guerres et nous voyons encore aujourd'hui l'accaparement de puits pétroliers et gaziers par des groupes terroristes et par les agissements sournois de certains états.

Heureusement, en parallèle les recherches continuent et sont même intensifiées pour améliorer les moyens de production et de stockage de l'électricité. Si les batteries et les supercondensateurs existent depuis longtemps, les moyens financiers et humains engagés pour les améliorer n'ont jamais été aussi importants. Lorsque la bulle du pétrole de schiste américain explosera, nous verrons le prix du pétrole augmenter en même temps que les conflits mondiaux pour l'énergie. Mais par la force des choses, les états devraient consacrer aussi beaucoup plus de moyens pour la recherche dans les technologies de stockage de l'électricité.

Les moyens financiers accrus aideront à faire progresser batteries et supercondensateurs, mais d'ors et déjà les recherches s'accélèrent, car nous maîtrisons mieux et nous appréhendons mieux les mécanismes moléculaires qui ont lieu au sein des batteries et des supercondensateurs.

Les batteries

Ainsi, en février 2014, une équipe de chercheurs a réussi à filmer la réaction chimique qui a lieu dans une électrode de batterie lors du chargement et du déchargement de celle-ci : http:/newenergyandfuel/com/2014/02/20/watching-batteries-work/

Ce travail aide à mieux comprendre le fonctionnement interne des batteries et permettra sans doute d'imaginer des électrodes plus efficaces.

De nombreuses technologies de batteries sont testées en laboratoire : batterie Lithium-Air, Lithium-Souffre, Lithium-Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide... Mais aussi les batteries à flux redox aux Quinones, au Vanadium...

Les supercondensateurs

Si les batteries ont une grande longueur d'avance dans le domaine de la densité d'énergie (quantité d'énergie stockée pour un volume ou un poids donné) par rapport aux supercondensateurs, ceux-ci se rechargent beaucoup plus rapidement et ont une durabilité incomparable. Ainsi, un supercondensateur peut supporter plus d'un million de cycles de recharge quand une batterie se limite souvent à 400 cycles et parfois jusqu'à 4000 cycles de recharge pour les meilleures d'entre elles.

Applications

Grâce à ces caractéristiques exceptionnelles et une baisse continue des prix, les supercondensateurs sont de plus en plus utilisés. Pour voir des exemples d'utilisation des supercondensateurs, le mieux est de consulter la rubrique "Applications" de supercondensateur.com : Applications.

En voici quelques exemples :
(Les articles correspondants aux images sont accessible ici : http://www.supercondensateur.com/dossier-supercondensateurs#applications )

Pelle hybride Komatsu avec supercondensateur	Bateau électrique à supercondensateur	Voiture de sport hybride à supercondensateur BMW
Bus électrique à supercondensateur	Métro avec récupération d'énergie	Bluetram : Tramway à supercondensateur
Lampe torche à supercondensateur	Bouclier anti-missile laser à supercondensateur	Canon électromagnétique (Portée de 350 km !)

Exemples de supercondensateurs

Les supercondensateurs peuvent être commercialisés en mono-cellule ou être un assemblage de plusieurs supercondensateurs (tout comme les batteries de voitures sont constituées de plusieurs cellules).
Voici quelques exemples de supercondensateurs :

Convergence batterie-supercondensateur

Les batteries et les supercondensateurs sont deux moyens de stockage d'énergie techniquement très différents (cf : C'est quoi un supercondensateur ?). Mais s'ils présentent aujourd'hui des capacités assez éloignées, les recherches pourraient modifier la donne en faisant converger les caractéristiques de ces deux systèmes de stockage d'énergie.

En effet, parmi les pistes explorées pour améliorer les batteries et les supercondensateurs, l'utilisation de matériaux 2D comme le graphène permet des progrès importants. Le graphène est un matériau qui n'a été découvert qu'en 2004. Depuis quelques années, de nouvelles méthodes de production du graphène de plus en plus prometteuses sont mises au point. Ceci permettra à terme d'obtenir du graphène à un prix intéressant (cf : Créer du graphène avec un mixeur de cuisine, c'est possible !). Comme toujours, avec les nouvelles technologies, il ne faut pas prendre peur face à leur coût de production actuel, mais imaginer leur coût de production futur, ce qui n'a rien à voir.

Ainsi, la cyclabilité de certaines batteries peut être améliorée en protégeant les électrodes de leur dégradation chimique par des fines couches de graphène. De même, la puissance peut être améliorée en utilisant des électrodes à base de graphène.

Du côté des supercondensateurs, les possibilités d'amélioration sont très importantes, tant du point de vue de la densité d'énergie volumique, que du point de vue de la densité d'énergie massique. Pour arriver à doper les capacités des supercondensateurs, le graphène s'avère être un matériau de choix, surtout si l'on utilise du liquide ionique comme électrolyte.

Un retard de recherche sur les supercondensateurs qui va se combler

Les supercondensateurs sont plus méconnus que les batteries, car ils stockent actuellement beaucoup moins d'énergie qu'une batterie pour une même taille et un même poids (densité d'énergie volumique et densité d'énergie massique) et ils coûtent encore beaucoup plus cher au Watt-heure stocké.

Baisse de prix

Les supercondensateurs sont toutefois beaucoup plus abordables aujourd'hui qu'il y a 20 ans. En effet, le prix des supercondensateurs a chuté considérablement. Même si le rythme de baisse de prix décélère depuis quelques années, il a été divisé par 100 en 15 ans. Grâce à cette baisse de prix, les supercondensateurs sont de plus en plus utilisés et surtout ils investissent de plus en plus de nouveaux domaines : énergie tampon, rotation des pâles d'éoliennes, stockage de grille pour les énergies renouvelables, récupération de l'énergie du freinage dans les voitures, bus hybrides,trains, tramway, métros, bateau électrique sans batterie, bus 100% électrique, engins de chantier, armement militaire (canon électromagnétique, bouclier laser anti-missile)...

En plus des raisons citées précédemment, la forte baisse de prix des supercondensateurs amène donc de plus en plus d'organismes de recherche, d'entreprises et d'états à investir dans la recherche sur ce moyen de stockage d'énergie qui était beaucoup plus confidentiel il y a 15 ans.

Les micros-supercondensateurs adaptés à une industrie de la miniaturisation

Par ailleurs, les supercondensateurs ont des qualités qui sont de plus en plus appréciées par l'industrie. En effet, celle-ci maîtrise de mieux en mieux la miniaturisation électronique et un certain nombre de nouveaux types de matériaux qui permettent de fabriquer aujourd'hui toutes sortes d'objets connectés, ainsi que des capteurs miniatures et des textiles intelligents.

Dans ce cadre d'utilisation, les supercondensateurs sont appréciés car ils sont plus stables que les batteries : ils n'utilisent pas de réactions chimiques. Les réactions chimiques des batteries restent complexes et ont un comportement parfois aléatoire (certaines batteries peuvent s'emballer et prendre feu suite à une réaction chimique inattendue). Certains supercondensateurs utilisent encore un électrolyte qui peut prendre feu, mais les électrolytes ininflammables s'imposeront dans les domaines sensibles, rendant alors le supercondensateur beaucoup plus sécurisant et fiable que la batterie.

Les supercondensateurs ont aussi une capacité à se fondre dans n'importe quel format. Ils ont une densité de puissance élevée (vitesse de charge/décharge), une longue durée de vie et une faible résistance interne. Des micro-supercondensateurs peuvent ainsi être insérés un peu partout. Il existe même dessupercondensateurs à base de graphène et de nanotubes de carbone qui sont étirables et presque transparents. Le supercondensateur devient alors un composant de choix pour l'électronique portable auto-alimentée (Cf :Supercondensateur en fibre à tisser dans des vêtements intelligents).

Les supercondensateurs sont également utilisés pour être insérés dans des batteries structurelles, comme avec le projet de carrosserie de voiture qui stocke de l'énergiemis au point par Volvo.

Après avoir privilégié l'utilisation des batteries, c'est tout un nouveau pan de l'industrie qui s'intéresse donc maintenant aux supercondensateurs. De quoi booster la recherche...


La suite de ce dossier ici :
http://www.supercondensateur.com/dossier-supercondensateurs#fonctionnement-supercondensateurs


Source : http://www.supercondensateur.com/dossier-supercondensateurs