Brevet FR3050576A1 — publié le 20171027

ACCUMULATEUR D'ENERGIE ELECTRIQUE La présente invention concerne les accumulateurs d'énergie électrique de grande capacité. Il est déjà connu des accumulateurs d'énergie électrique. Ceux-ci comportent une enveloppe réalisée en un matériau électriquement isolant, une anode, une première électrode connectée à l'anode, une cathode, une seconde électrode connectée à la cathode, un électrolyte et des moyens pour monter les anode et cathode dans l'enveloppe en étant situées sensiblement parallèlement entre elles et à une distance déterminée l'une de l'autre, l'électrolyte étant situé dans l'enveloppe en noyant l'anode et la cathode. Même si elles sont réalisées en matériaux plastiques ou analogues, ces enveloppes sont relativement lourdes et encombrantes eu égard la quantité d'énergie stockée ou stockable, et nécessitent une connectique importante. C'est par exemple le problème qui se pose pour les véhicules automobiles dits "électriques" dont le poids est important et la capacité de stockage en énergie électrique très limitée. Il est par ailleurs dans l'air du temps, de façon tout à fait objective, de faire appel à des énergies renouvelables, par exemple celle fournie par des appareils comme les éoliennes, les panneaux solaires voltaïques, etc. Mais se pose alors le problème du stockage de l'énergie produite quand l'appareil est en surproduction, et de sa délivrance quand l'appareil n'est pas capable de produire l'énergie requise, par exemple en absence de vent, de soleil, etc. Par ailleurs, faire appel à des accumulateurs classiques tels que ceux qui sont connus actuellement est impensable, notamment quand il est nécessaire de disposer d'une forte énergie comme, par exemple, pour l'alimentation de maisons, quartiers, bourgs, et même villes, etc. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de réaliser un accumulateur d'énergie électrique qui permette le stockage d'une grande quantité d'énergie électrique et qui évite les encombrements des accumulateurs de l'art antérieur. 3050576 2 Plus précisément, la présente invention a pour objet un accumulateur d'énergie électrique comportant au moins un élément dit "actif électrochimique" comportant : - une enveloppe réalisée en un matériau électriquement isolant et un 5 ensemble contenu dans ladite enveloppe, ledit ensemble comprenant : * une anode, * une cathode, et * un électrolyte dans lequel baignent l'anode et la cathode, - une première électrode connectée à ladite anode, et 10 - une seconde électrode connectée à ladite cathode, lesdites première et seconde électrodes traversant ladite enveloppe, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une tranchée réalisée dans le sol terrestre, ledit élément actif électrochimique étant disposé dans ladite tranchée. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, les première et seconde électrodes sont agencées pour traverser de façon électriquement isolée l'enveloppe et la partie du sol terrestre entourant l'enveloppe pour émerger dans l'atmosphère située au-dessus de la surface du sol terrestre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au 20 cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe schématique transversale dans un plan vertical, d'un premier mode de réalisation de l'accumulateur d'énergie électrique selon l'invention, 25 La figure 2 est une vue de dessus de l'accumulateur d'énergie électrique selon l'invention en accord avec la figure 1, La figure 3 est une vue en coupe schématique transversale dans un plan vertical d'un second mode de réalisation de l'accumulateur d'énergie électrique selon l'invention, et 30 La figure 4 représente, à titre d'application possible, un groupe d'accumulateurs d'énergie électrique selon l'invention en accord avec les figures 1 à 3. Il est tout d'abord précisé que : 3050576 3 - sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments ; de même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure, - les figures représentent deux modes de réalisation de l'objet selon l'invention, mais il peut exister d'autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention, 10 - lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustré comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la 15 description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. - lorsque dans la présente description, une expression définit à elle 20 seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, soit en combinaison totale et/ou partielle. 25 - dans la présente description, si l'adverbe "sensiblement" est associé à un qualificatif d'un moyen donné, ce qualificatif doit être compris au sens strict ou approché. En référence aux quatre figures annexées, la présente invention est relative à un accumulateur d'énergie électrique comportant au moins un 30 élément dit "actif électrochimique" Eae comprenant une enveloppe 10 réalisée en un matériau électriquement isolant et un ensemble contenu dans l'enveloppe, cet ensemble comprenant au moins une anode 11: une cathode 12 et un électrolyte dans lequel baignent l'anode et la cathode. 3050576 4 L'accumulateur comporte aussi une première électrode 111 connectée à l'anode 11 et une seconde électrode 121 connectée à la cathode 12, ces première et seconde électrodes traversant l'enveloppe par des passages étanches et électriquement isolés. 5 Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'accumulateur comporte en outre une tranchée 20 réalisée dans le sol terrestre 21, l'élément actif électrochimique Eae étant disposé dans cette tranchée. Cette tranchée peut être réalisée de différentes façons, à l'aide notamment d'engins de travaux publics de type excavatrices ou analogues, 10 et même être une cavité artificielle ou naturelle. Selon une autre caractéristique, les première et seconde électrodes 111, 121 de l'élément actif électrochimique sont agencées pour traverser de façon électriquement isolée l'enveloppe 10 et la partie du sol terrestre 21 entourant l'enveloppe 10 pour émerger dans l'atmosphère située au-dessus 15 de la surface de ce sol. Sur les dessins, à l'anode 11 est associé de façon conventionnelle habituelle en électricité, le signe "+" et, à la cathode 12, le signe "-". L'élément actif électrochimique Eae comporte en outre avantageusement des moyens pour monter les anode 11 et cathode 12 20 dans l'enveloppe 10 en étant situées sensiblement parallèlement entre elles et à une distance déterminée l'une de l'autre, l'électrolyte 13 étant situé, de façon connue dans l'enveloppe 10 en noyant les anode 11 et cathode 12. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément actif électrochimique Eae est avantageusement obtenu selon l'une des 25 technologies suivantes : la technologie "plastique à ion Lithium" en raison de sa versatilité et la technologie d'intégration du sodium au sein d'une matrice plastique. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la cathode 12 est réalisée en l'un des matériaux suivants : carbone ou 30 composés intermétalliques NaxMy, et l'anode 11 est réalisée en l'un des matériaux suivants : composés polyanioniques ou lamellaires à base de Na, Na-Fe-Mn-0 et NaMnO. 3050576 5 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'électrolyte est un électrolyte aqueux en présence d'un sel de sodium, plus préférentiellement un électrolyte organique à base de sels de sodium. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément actif électrochimique Eae est monté par déroulement dans la tranchée 20, cette tranchée présentant une forme développée tel un circuit imprimé, figures 2 et 4. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention qui présente des avantages notamment sur le plan industriel, l'enveloppe 10 est 10 constituée d'un tube en matière plastique 100, de préférence relativement souple, optionnellement mais avantageusement recouvert extérieurement d'une couche de matériau magnétique. Cette couche peut être continue ou sous la forme de portions de couches, de traits interrompus, etc. Elle permettra de localiser, depuis la surface du sol, les tubes enfouis dans le sol 15 et de les retrouver, en cas de besoin notamment pour des opérations de maintenance. Un accumulateur peut, dans une même tranchée 20, comporter plusieurs éléments actifs électrochimiques Eae, et donc plusieurs tubes 100 de préférence séparés par des plaques intercalaires 110 comme plus 20 particulièrement illustré sur la figure 3, réalisées en un matériau isolant, par exemple du Polyester, du PVC ou du Polyuréthane. Après que la tranchée 20 ait été réalisée et que le ou les éléments actifs électrochimiques Eae y aient été disposés, cette tranchée peut être remplie au-dessus de ces éléMents et autour d'eux avec de la terre comme 25 illustré sur les figures 1 et 3, mais en laissant toujours, entre la tranchée et la surface du sol, une couche de terre suffisante pour que cette tranchée soit complètement enfouie dans le sol et largement entourée par ce sol, afin de permettre au-dessus d'elle, par exemple, la culture de plantes ou analogues. Cette masse de terre qui entoure l'élément actif électrochimique présente en 30 outre l'avantage de créer, pour cet élément, un écran thermique régulateur qui permet d'optimiser sa fiabilité dans le temps. A titre d'application possible, plusieurs accumulateurs' comme celui décrit ci-avant peuvent être disposés les uns à côté des autres comme 3050576 6 illustré sur la figure 4 qui, à titre d'exemple, en montre neuf, respectivement M1-M9. Dans cette application, les accumulateurs M1-M9 peuvent être reliés les uns aux autres selon les besoins, par un montage en parallèle ou 5 en série ou par une combinaison de montages en parallèle et de montages en série. La figure 4 illustre, à titre d'exemple non limitatif, un accumulateur M1 et un accumulateur M2 montés en série, tandis que les accumulateurs M4, M5 et M7 sont montés en parallèle, les autres accumulateurs étant en 10 attente d'une éventuelle utilisation. Un tel accumulateur selon l'invention est très intéressant car : Sachant que la capacité de cet accumulateur est une fonction de la masse de l'élément actif Eae, à savoir, selon la terminologie des techniciens, « du sandwich électrochimique », il peut être réalisé sur une 15 grande longueur, dans le sol terrestre comme illustré sur les figures 2 et 4. A titre d'exemple, il peut être envisagé d'utiliser un terrain de 100m sur 100m et de réaliser une longueur d'élément actif-électrochimique de 5000m (100x50m) avec deux tubes 100 séparés par un intercalaire 110 disposés dans une tranchée 20 de profondeur 0,8m et de largeur 0,3m. S'il 20 est réalisé un élément actif-électrochimique du type connu des hommes du métier sous la terminologie "PLION" (Figure 3) de 1cm d'épaisseur (obtenue par superposition de 10 couches de 1mm) et 10cm de largeur, il est obtenu un volume, en dm3, de : 0,1 x 1 x 2 x 50.000 = 10.000dm3. 25 Ces techniques de réalisation des éléments actifs électrochimiques Eae mentionnés ci-dessus sont par exemple décrits dans les articles « Matériaux émergents - Christian Janot et Bernard lschner - 2001 - pages 245, 246, 247 », et « Stockage électrochimique et développement durable du collège de France par le Professeur Tarascon paragraphe Technologie 30 Li-ion LiMn2O4/C » du 9/12/2010. La densité massique du PLION étant de 1,5, il est obtenu une masse de 15.000kg. Comme la capacité massique du PLION est de 150W.h/kg, il peut être réalisé un accumulateur d'une capacité de 3050576 7 15000x150W.h =2,25 MW.h pour un hectare (100x100m). Pour un km2 il serait alors obtenu 225 MW.h. Cette réalisation ci-dessus est avantageuse : par exemple, pour stocker l'énergie électrique de 1MW.h produite par un ensemble de 5 panneaux solaires de 2,5 Ha, il suffit d'utiliser un accumulateur à PLION selon l'invention de 0,5Ha. De la même façon, alors qu'un parc de huit éoliennes occupe une surface de 1 Km2 (soit 100Ha) produisant 32 MW.h, il suffit de 15 Ha d'accumulateur à PLION pour stocker cette énergie. 10 Un tel accumulateur présente d'autres nombreux avantages. Il est non polluant et permet le développement durable. Pour sa réalisation, il est par exemple très avantageux d'utiliser une technologie comme celle qui est connue, suite notamment aux travaux du Professeur Jean-Marie Tarascon, sous la terminologie plastique à Lithium- 15 ion qui, en raison de sa versatilité, peut accueillir en son coeur d'autres couples électrochimiques, par exemple à base de Sodium. Un accumulateur plastique selon l'invention à ions Na+ peut être avantageusement réalisé car il présente des avantages au niveau de l'éco compatibilité, le Sodium étant plus abondant que le Lithium et beaucoup 20 moins cher. Pour une telle réalisation, il suffit par exemple d'intégrer la chimie du Sodium au sein d'une matrice plastique analogue à celle du Li-ion (PVDFHFP) avec la capture conjointe d'un sel de sodium. (NaPF6). Err deçà de sa qualité d'éco-comptabilité, l'accumulateur selon 25 l'invention présente un autre avantage que le stockage de masse, celui de son coût. En effet, pour abaisser le coût de revient et d'entretien, il est possible de remplacer l'électrolyte non-aqueux par un électrolyte aqueux, en présence d'un sel pouvant être NaCI, NaNO3, Na2SO4. En résumé, un accumulateur selon l'invention permet de stocker de 30 grandes quantités d'énergie électrique sans utiliser un espace important, et surtout à moindre coût aussi bien dans des pays développés que ceux en voie de développement. 3050576 8 Un tel accumulateur peut être associé à un parc d'éoliennes ou de panneaux photovoltaïques sans que cela nuise à l'environnement, la surface de sol associée à cet accumulateur pouvant continuer à être utilisée, par exemple à des fins agricoles, ou pour tout autre activité de surface. 5 REVENDICATIONS1. Accumulateur d'énergie électrique comportant au moins un élément dit "actif électrochimique" (Eae) comportant : - une enveloppe (10) réalisée en un matériau électriquement isolant et un ensemble disposé dans ladite enveloppe, ledit ensemble comprenant au moins : * une anode (11), * une cathode (12), et 10 * un électrolyte (13) dans lequel baignent l'anode et la cathode, - une première électrode (111) connectée à ladite anode (11), et - une seconde électrode (121) connectée à ladite cathode (12), lesdites première et seconde électrodes (111, 121) traversant ladite 15 enveloppe (10), caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une tranchée (20) réalisée dans le sol terrestre, ledit élément actif électrochimique étant disposé dans ladite tranchée. 20 2. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites première et seconde électrodes (111, 121) du dit élément actif électrochimique (Eae) sont agencées pour traverser de façon électriquement isolée ladite enveloppe (10) et la partie du dit sol terrestre (21) entourant ladite enveloppe pour émergei dans l'atmosphère (22) située au-dessus de 25 la surface du dit sol terrestre. 3. Accumulateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ledit élément actif électrochimique (Rae) est réalisé selon l'une des technologies suivantes : la technologie "plastique à ion Lithium" en 30 raison de sa versatilité, et la technologie d'intégration du sodium au sein d'une matrice plastique. 3050576 10 4. Accumulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la cathode (12) est réalisée en l'un des matériaux suivants : carbone, composés intermétalliques NaxMy, et que l'anode (11) est réalisée en l'un des matériaux suivants : composés polyanioniques ou lamellaires à base de Na, Na-Fe-Mn-0 et NaMnO. 5. Accumulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'électrolyte (13) est l'un des électrolytes suivants : électrolyte aqueux en présence d'un sel de sodium, électrolyte organique à 10 base de sels de sodium. 6. Accumulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit élément actif électrochimique (Eae) est monté par déroulement dans ladite tranchée (20), ladite tranchée présentant une 15 forme développée tel un circuit imprimé. 8. Accumulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite enveloppe (10) est constituée d'un tube en matière plastique (100). 20 9. Accumulateur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit tube en matière plastique (100) est recouvert extérieurement d'une couche de matériau magnétique. 25 10. Application de l'accumulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle consiste en une pluralité de dits accumulateurs, ces accumulateurs de ladite pluralité étant disposés les uns à côté des autres et aptes à être reliés les uns aux autres selon l'un des montages suivants : montage en parallèle, montage en série, 30 combinaison de montages en parallèle et de montages en série.