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Les ultracaps pourraient augmenter l'efficacité hybride
Les dispositifs de stockage d'énergie appelés ultracondensateurs pourraient réduire le coût des packs de batteries dans les véhicules hybrides rechargeables de centaines voire de milliers de dollars en réduisant de moitié la taille des packs, selon les estimations des chercheurs de Laboratoire National d'Argonne à Argonne, Illinois. Les ultracondensateurs pourraient également améliorer considérablement l'efficacité d'une autre classe de véhicules hybrides utilisant de petits moteurs électriques, appelés microhybrides, selon une étude récente de l'Université de Californie à Davis.
Puissance robuste : Ce supercondensateur est utilisé pour capter l'énergie des freins des bus hybrides. Des dispositifs similaires pourraient bientôt être utilisés pour réduire le coût des voitures hybrides.
L'utilisation d'ultracondensateurs dans les hybrides n'est pas une idée nouvelle. Mais la baisse du coût de fabrication de ces appareils et les améliorations de l'électronique nécessaires pour réguler leur puissance de sortie et coordonner leur interaction avec les batteries pourraient bientôt les rendre plus pratiques, explique Theodore Bohn, chercheur à l'Advanced Powertrain Research Facility d'Argonne.
Bien que les batteries se soient considérablement améliorées ces dernières années, le coût de leur fabrication est la principale raison pour laquelle les hybrides coûtent des milliers de dollars de plus que les véhicules conventionnels. Cela est particulièrement vrai pour les hybrides rechargeables, qui reposent sur de gros blocs-batteries pour fournir la totalité ou la majeure partie de l'énergie lors de courts trajets. Les batteries sont chères en partie parce qu'elles se dégradent avec le temps et, pour compenser cela, les constructeurs automobiles les surdimensionnent pour s'assurer qu'elles peuvent fournir suffisamment de puissance même après 10 ans d'utilisation dans un véhicule.
Les ultracondensateurs offrent un moyen de prolonger la durée de vie de la source d'alimentation d'un véhicule hybride, en réduisant le besoin de surdimensionner ses batteries. Contrairement aux batteries, les ultracondensateurs ne reposent pas sur des réactions chimiques pour stocker l'énergie, et ils ne se dégradent pas de manière significative au cours de la durée de vie d'une voiture, même lorsqu'ils sont chargés et déchargés en rafales très intenses qui peuvent endommager les batteries. L'inconvénient est qu'elles stockent beaucoup moins d'énergie que les batteries, généralement un ordre de grandeur de moins. Si, cependant, les ultracondensateurs étaient associés à des batteries, ils pourraient protéger les batteries contre les surtensions intenses, selon Bohn, telles que celles nécessaires à l'accélération, prolongeant ainsi la durée de vie des batteries. Les ultracondensateurs pourraient également garantir que la voiture puisse accélérer aussi bien en fin de vie qu'au début.
Réduire la taille de la batterie d'un véhicule de 25 % pourrait économiser environ 2 500 $, estime Bohn. Les ultracondensateurs et l'électronique nécessaires pour les coordonner avec les batteries pourraient coûter entre 500 $ et 1 000 $, ce qui entraînerait des centaines de dollars d'économies nettes.
Les ultracondensateurs permettraient également de reconcevoir les batteries pour contenir plus d'énergie. Il existe généralement un compromis entre la vitesse à laquelle les batteries peuvent être chargées et déchargées et la quantité d'énergie totale qu'elles peuvent stocker. C'est en partie vrai parce que la conception d'une batterie pour qu'elle se décharge rapidement nécessite l'utilisation d'électrodes très fines empilées en plusieurs couches. Chaque couche doit être séparée par des matériaux de support qui prennent de la place dans la batterie mais ne stockent aucune énergie. Plus il y a de couches utilisées, plus il faut de matériaux de support et moins d'énergie peut être stockée dans la batterie. Associées à des ultracondensateurs, les batteries n'auraient pas besoin de fournir des rafales de puissance et pourraient donc être fabriquées avec seulement quelques couches d'électrodes très épaisses, réduisant ainsi la quantité de matériau de support nécessaire. Cela pourrait permettre de stocker deux fois plus d'énergie dans le même espace, dit Bohn.
Les ultracondensateurs pourraient également être utiles dans un type de véhicule hybride très différent appelé microhybride, selon Andrew Burke , ingénieur de recherche à l'Institute of Transportation Studies de l'UC Davis. Tels qu'ils sont conçus aujourd'hui, ces véhicules utilisent de petits moteurs électriques et des batteries pour compléter un moteur à essence, permettant au moteur de s'arrêter chaque fois que la voiture s'arrête et redémarre lorsque le conducteur appuie sur l'accélérateur. Les batteries d'un microhybride peuvent également capturer une petite partie de l'énergie qui est généralement gaspillée sous forme de chaleur lors du freinage. Étant donné que les ultracondensateurs peuvent se charger et se décharger rapidement sans être endommagés, il serait possible de concevoir des microhybrides pour utiliser beaucoup plus un moteur électrique, fournissant de courtes rafales de puissance chaque fois que cela est nécessaire pour l'accélération. Ils pourraient également collecter plus d'énergie lors du freinage. Selon des simulations informatiques réalisées par Burke, un tel système améliorerait de 40 % l'efficacité d'un moteur conventionnel en conduite urbaine. Les microhybrides conventionnels n'améliorent l'efficacité que de 10 à 20 pour cent.
Dans les hybrides rechargeables et les microhybrides, les ultracondensateurs offriraient des performances améliorées par temps froid, car ils ne reposent pas sur des réactions chimiques qui ralentissent par temps froid. Par temps très froid, vous devez chauffer la batterie, ou vous ne pouvez pas conduire très vite - vous auriez une accélération très faible, dit Bohn. En revanche, les ultracondensateurs pourraient fournir une accélération rapide même par temps froid.
Mark Verbrugge, directeur du laboratoire matériaux et procédés chez GM, affirme que des deux utilisations des ultracondensateurs, il sera plus facile de les utiliser dans les microhybrides. Dans ce cas, dit-il, les ultracondensateurs remplaceraient simplement les batteries, car ils stockent suffisamment d'énergie pour augmenter le moteur à essence sans l'aide de batteries. Dans les hybrides rechargeables, qui nécessitent beaucoup plus d'énergie, les ultracondensateurs devraient être associés à des batteries, ce qui nécessiterait une électronique complexe pour coordonner les deux dispositifs de stockage d'énergie. En gros, vous ne voulez jamais ajouter de pièces à une voiture, dit-il. Vous voulez le système le plus simple possible afin qu'il y ait moins de problèmes.
Pour que les ultracondensateurs soient pratiques dans les microhybrides, dit Verbrugge, le coût de leur fabrication doit diminuer d'environ la moitié, ce qui peut être possible car de nombreuses parties du processus de fabrication des grands ultracondensateurs ne sont pas encore automatisées. Mais pour justifier la complexité supplémentaire des hybrides rechargeables, dit-il, l'ensemble du système devrait coûter beaucoup moins cher que l'utilisation de batteries seules.
Les chercheurs d'Argonne ont déjà pris des mesures pour prouver que les ultracondensateurs peuvent fournir ces économies, après avoir montré qu'ils réduisent d'un tiers le stress thermique imposé aux batteries. Ils continuent de tester des ultracondensateurs pour démontrer qu'ils peuvent prolonger la durée de vie des batteries, ce qui permettrait aux constructeurs automobiles d'utiliser des batteries plus petites et d'économiser de l'argent.