Des solutions de stockage d’énergie étranges pourraient aider le réseau à devenir renouvelable

Nous connaissons tous les batteries. Qu’il s’agisse d’AA jetables dans la télécommande du téléviseur ou d’installations géantes remplies de piles rechargeables pour stocker de l’énergie pour le réseau, elles font partie de notre vie quotidienne et sont bien comprises.

Cependant, de nouvelles technologies de stockage de l’énergie sont à l’horizon à des fins de stockage sur le réseau, et elles sont très différentes des batteries ordinaires auxquelles nous sommes habitués. Ces technologies sont essentielles pour tirer le meilleur parti des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, qui ne sont pas disponibles en permanence. Jetons un coup d’œil à certaines de ces idées et à la façon dont elles changent radicalement ce que nous considérons comme une « batterie ».

Batteries à flux de fer

Schéma indiquant le fonctionnement d’une batterie à flux de fer. Crédit : ESS, Inc, YouTube

Normalement, les batteries que nous utilisons sont constituées d’un boîtier en métal ou en plastique contenant de l’électrolyte, pris en sandwich entre des électrodes. Habituellement, l’électrolyte est sous forme de pâte ou de gel et à toutes fins utiles, nous considérons les batteries comme un objet généralement solide, même si elles sont gluantes à l’intérieur.

Les batteries à flux de fer fonctionnent d’une manière tout à fait différente. Ils utilisent un électrolyte liquide qui est pompé dans une batterie selon les besoins pour générer de l’électricité. L’électrolyte est constitué d’ions de fer en solution, généralement sous forme de solutions aqueuses comme le chlorure de fer ou le sulfate de fer.

Les matériaux d’électrode typiques sont le carbone pour les côtés positif et négatif, la batterie étant constituée de deux demi-cellules avec un séparateur poreux entre les deux. Lorsque la batterie est chargée, les ions fer (II) sont oxydés dans la demi-cellule positive, cédant des électrons pour devenir des ions fer (III). Dans la demi-cellule négative, les ions de fer (II) gagnent des électrons pour devenir du fer (0), le fer métallique se plaquant sur l’électrode négative elle-même. Lorsque la batterie est déchargée dans une charge, ces réactions s’inversent, le métal sur l’électrode négative de la demi-cellule retournant à la solution.

ESS a développé des batteries à flux de fer qui peuvent s’adapter à l’intérieur des conteneurs d’expédition. Ce modèle peut fournir 50 kW de puissance et stocker jusqu’à 400 kWh d’énergie. Crédit : ESS, Inc., YouTube

Les batteries à flux de fer ont l’avantage d’être évolutives. Des réservoirs plus grands et des cellules plus grandes peuvent facilement être construits, ce qui est idéal pour les applications de réseau où l’on souhaite stocker de nombreux mégawattheures d’énergie. Un autre avantage est la durée de vie d’une batterie à flux de fer, mesurée entre 10 000 et 20 000 cycles. C’est un ordre de grandeur supérieur à la plupart des cellules lithium-ion et donne aux batteries à flux de fer une durée de vie de l’ordre de 10 à 20 ans, voire plus.

Les produits chimiques impliqués sont également bon marché et facilement disponibles – le fer et ses sels étant faciles à trouver presque partout dans le monde. Il y a peu d’exigences pour les métaux de terres rares sophistiqués qui sont essentiels à la production de cellules lithium-ion haut de gamme. De plus, les produits chimiques utilisés sont également sûrs – il n’y a pas vraiment quoi que ce soit dans une batterie à flux de fer qui puisse exploser ou prendre feu comme les autres technologies.

La batterie à flux de fer présente cependant certains inconvénients. La technologie n’a tout simplement pas la densité de puissance des batteries lithium-ion, il faut donc plus d’espace pour construire une batterie capable de fournir la même puissance. De plus, en raison de la réaction de placage sur l’électrode négative, la batterie à flux de fer ne s’adapte pas aussi bien que certaines autres conceptions théoriques. D’autres batteries à flux ne nécessitent que plus d’électrolyte pour continuer à produire de l’énergie, la taille des électrodes n’ayant aucune importance à cet égard. De plus, alors que la technologie stocke l’énergie électrique directement au sens chimique, les batteries à flux de fer sont encore généralement moins efficaces que le stockage par pompage hydroélectrique, en supposant que des terres appropriées soient disponibles. Les méthodes avancées de stockage hydroélectrique peuvent toutefois contrer cette exigence.

Les entreprises développent aujourd’hui la technologie pour des applications réelles. Les batteries à flux de la taille d’un conteneur d’expédition d’entreprises comme ESS sont disponibles avec des capacités allant jusqu’à 500 kWh, avec des puissances de sortie suffisamment élevées pour alimenter des dizaines de maisons sur une période de 12 heures. L’empilement de plusieurs unités dans une seule installation fait évoluer la capacité selon les besoins. Ils s’adressent au marché du stockage dit « long terme », pour stocker de l’énergie de l’ordre de 4 à 24 heures. Cela les rend idéaux pour les cas d’utilisation tels que le stockage de l’énergie pendant les pics solaires quotidiens pour une utilisation pendant les heures sombres de la nuit.

Stockage du dioxyde de carbone

Un schéma indiquant le fonctionnement de l’installation de stockage d’Energy Dome en cycles de charge et de décharge. Crédit : Energy Dome, YouTube

Le dioxyde de carbone est tout autour de nous, en tant que composant clé de l’atmosphère. C’est aussi un gaz qui peut facilement être stocké sous forme liquide à température ambiante, à condition de le mettre sous une pression suffisante. Sous cette forme, il prend beaucoup moins de place et il y a aussi de l’énergie à gagner dans la transition de phase. Energy Dome est une entreprise qui a identifié que cette propriété pourrait être utile et a développé un système de stockage basé sur le gaz prédominant.

Pour charger la « batterie » de dioxyde de carbone, de l’énergie est appliquée pour comprimer le CO gazeux2 dans un liquide. La chaleur générée lors du processus de compression est stockée dans un système de stockage d’énergie thermique. Pour extraire de l’énergie, le CO liquide2 est réchauffé à partir de la chaleur précédemment stockée et autorisé à se dilater à travers une turbine, qui génère de l’énergie. La conception utilise du CO2 dans un système étanche. L’énergie est stockée dans la pression appliquée au CO2 et dans le changement de phase, plutôt que dans une quelconque réaction chimique. Ce n’est donc pas vraiment une « batterie » en soi, pas plus que le stockage par pompage hydroélectrique, mais c’est un système de stockage d’énergie.

Le système a l’avantage d’être construit à partir d’un équipement simple, bien compris et déjà facilement disponible. Il n’y a rien de radical dans la compression des gaz ni dans leur expansion à travers des turbines, après tout. De plus, il n’y a pas besoin de matériaux de terres rares coûteux ou même de grandes quantités de câblage en cuivre, comme avec les solutions de stockage de batterie lithium-ion.

Energy Dome prévoit déjà un déploiement commercial aux États-Unis d’ici 2024. Il a déjà effectué des tests à une échelle de plusieurs mégawatts, indiquant le principe de base de la technologie. La société a également obtenu un accord pour la construction d’une installation pour la société énergétique italienne A2A, d’une capacité de 200 MWh et d’une puissance de 20 MW.

Réalités futures

Le fait est qu’à mesure que les réseaux du monde entier passent à des solutions d’énergie plus renouvelables, les demandes de stockage de cette énergie seront de plus en plus importantes. Les solutions traditionnelles telles que le stockage par pompage hydroélectrique sont toujours d’actualité, tout comme les grandes installations de batteries lithium-ion qui apparaissent partout dans le monde.

Cependant, des circonstances différentes signifient que d’autres technologies de stockage peuvent également trouver leur propre créneau. En particulier, ceux qui dépendent de matériaux bon marché et facilement disponibles auront un avantage, en particulier compte tenu des problèmes géopolitiques et de chaîne d’approvisionnement auxquels ils sont confrontés aujourd’hui. Attendez-vous à ce que davantage de nouvelles technologies apparaissent dans cet espace, car le stockage des énergies renouvelables deviendra un élément clé de notre réseau électrique à l’avenir.

François Zipponi
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.fr. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.fr, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.fr.