Le Futur Du Stockage D’énergie – Les Batteries À L’échelle Des Services Publics

Le Besoin De Batteries Du Réseau Électrique

Les batteries sont passées d’un composant bon marché de petits appareils électroniques à un composant clé coûteux dans la révolution des véhicules électriques. Mais il y a un autre segment, en plus de la mobilité, qui nécessite une quantité de plus en plus importante de capacité de batterie : le réseau électrique.

Les énergies renouvelables augmentent en tant que partie de la production totale d’électricité. Mais elles sont également plus intermittentes que les centrales électriques à base de combustibles fossiles, car elles produisent principalement de l’électricité lorsque le soleil brille ou que le vent souffle. Cela peut ne pas coïncider avec le moment de consommation de pointe, souvent le soir ou en hiver. Le réseau électrique ne stocke pas d’électricité, mais doit être équilibré entre production et consommation à tout moment.

Donc, plus il y a de production d’énergies renouvelables, plus il faudra de batteries pour maintenir la stabilité du réseau électrique. Ceci est un domaine majeur de nouveaux investissements énergétiques, avec des projets de batteries à l’échelle des services publics qui devraient plus que tripler la capacité actuelle d’ici 2025.

Source: EIA

Pour l’instant, beaucoup de ces parcs de batteries utilisent des batteries au lithium-ion. Mais cela pourrait changer.

Besoins Différents

Pour l’instant, l’industrie des batteries a évolué principalement pour répondre aux besoins du marché des petits appareils électroniques et des véhicules électriques. C’est parce que les deux partagent des exigences similaires pour la batterie idéale :

• Petite et légère, donc avec une densité élevée en Wh/kg.
• Fonctionne dans une plage de température “normale”.
• Ne sont pas extrêmement sensibles au prix.
• Peuvent durer au moins 5-10 ans, avec environ une charge complète par jour.

Pour cet ensemble de critères, la technologie au lithium-ion a été jusqu’à présent la meilleure pour la technologie des batteries. Cela pourrait changer bientôt, avec des possibilités comme les batteries à l’état solide, les batteries au sodium-ion ou les batteries au lithium-ferrum-phosphate (LFP) en tant qu’alternatives potentielles. Vous pouvez en lire plus sur le sujet dans notre article : “Le Futur De La Mobilité – Technologie Des Batteries”.

Mais les batteries à l’échelle des services publics ont des besoins très différents.

• Aucune contrainte stricte sur le poids. Les batteries ne bougent pas, donc un poids qui handicaperait un véhicule électrique ne pose pas de problème.
• Aucune contrainte stricte sur l’espace. Les parcs de batteries seront construits sur des terres bon marché autour des centrales électriques. Pas besoin de les emballer étroitement à l’intérieur du cadre d’un ordinateur ou d’un véhicule électrique.
• Les hautes températures ne sont pas si problématiques. Si une chimie spécifique fonctionne mieux à 200°C, cela ne cuira pas les passagers d’un véhicule électrique. Cependant, dans la plupart des pays, les batteries devront tolérer le froid, car il faudrait les garder chauds en hiver, ce qui serait très coûteux. Les batteries au lithium peuvent avoir du mal avec cela.
• Le coût de chaque Wh est le facteur le plus important.
• Plus la batterie dure longtemps, plus son coût peut être amorti sur une longue période, avec des sociétés de services publics habituées à investir sur une période de 30 à 40 ans.

Compte tenu des besoins très différents entre les véhicules électriques et les batteries à l’échelle des services publics, il n’est pas surprenant que de nouvelles technologies et de nouvelles chimies de batteries soient en cours de développement pour fournir des solutions plus rentables aux sociétés de services publics et aux exploitants de réseaux.

Dans la pratique, nous pouvons nous attendre à ce que plusieurs technologies de stockage d’énergie “gagnent” ensemble, certaines étant plus adaptées à l’équilibrage immédiat du réseau, et d’autres à des échelles de temps différentes (heures, semaines, entire saison).

Source: CleanTech

Alors que cet article vous donnera un aperçu du sujet, vous pouvez également vouloir lire ce rapport détaillé d’Ara Ake sur les systèmes de stockage d’énergie fixes.

Nouvelles Chimies De Batteries Pour Les Applications À L’échelle Des Services Publics

Chimies Dérivées Des Véhicules Électriques

La fabrication de batteries est un jeu d’échelle. Les plus grosses quantités de production, avec la chaîne d’approvisionnement la plus profonde, peuvent gérer les économies d’échelle et donc un coût plus bas par Wh.

Pour cette raison, plusieurs sociétés de batteries à l’échelle des services publics misent sur des chimies de batteries à faible coût déjà utilisées dans les véhicules électriques pour remplacer le stockage à base de lithium-ion.

Batteries LFP

Une option est LFP (lithium-fer-phosphate), un bon candidat pour les batteries à faible coût pour les véhicules électriques, et une chimie de batterie qui ne repose pas sur le cobalt et le nickel coûteux. Ils durent également plus longtemps que les batteries au lithium-ion, ce qui les rend encore plus économiques à long terme. C’est quelque chose qui est déjà disponible en solutions prêtes à l’emploi, à l’échelle des services publics, y compris de leaders du secteur comme CATL ou BYD.

Batteries Au Sodium-Ion

En plus du cobalt et du nickel, le lithium lui-même peut être très coûteux à certaines périodes, en fonction de la fluctuation du prix du lithium. Remplacer le lithium par le sodium abondant peut donc aider à réduire les prix. Il est légèrement moins dense en énergie (Wh/kg) que les LFP, mais également moins cher, ce qui pourrait en faire un candidat encore meilleur pour une chimie de batterie capable de fonctionner à la fois dans les véhicules électriques et le réseau électrique.

Batteries À Flux De Redox

Ces catégories de batteries reposent sur le processus chimique d’oxydation et de réduction de métal. Une variété de métaux différents peut être utilisée pour les batteries à flux de redox, ainsi que d’autres types de flux d’ions.

Source: CellCube

Batteries Fer-Air

Ces batteries fonctionnent en utilisant l’oxydation du fer (communément connu sous le nom de rouille). Les batteries produisent de l’électricité en oxydant le fer, puis inversent le processus en consommant de l’électricité.

L’avantage clé est que, grâce à l’utilisation de matériaux extrêmement bon marché, ces batteries pourraient être extrêmement rentables. Les partisans de cette technologie affirment que les batteries fer-air seraient 10 fois moins chères, performantes et dureraient 17 fois plus longtemps. Le fait que les batteries soient grandes, lourdes et lentes à charger ou à décharger ne devrait pas vraiment poser de problème pour les applications à l’échelle des services publics. Des sociétés comme Form Energy sont déjà en train de construire des installations pour fabriquer ces batteries en masse.

Batteries Au Zinc

En utilisant un autre métal bon marché, ces batteries comprennent plusieurs options comme les chimies zinc-brome, zinc-manganèse ou zinc-air. L’avantage clé de cette technologie est sa capacité de stockage très longue, avec très peu de pertes/décharge. Cela pourrait en faire un bon candidat pour stocker l’énergie éolienne, avec des jours sans vent qui peuvent parfois durer plusieurs semaines, ce que les technologies de batterie avec un stockage moins durable peuvent avoir du mal à compenser. “Les batteries au zinc devraient représenter 10 % du marché du stockage d’ici 2030, selon l’analyste énergétique Avicenne Consulting“. Certaines sociétés notables dans ce domaine sont Redflow (zinc-brome) et Zinc8 (zinc-air).

Batteries À Flux De Redox De Vanadium – VRFB

Le vanadium est un métal principalement utilisé aujourd’hui dans la production d’acier inoxydable. Dans les batteries, il pourrait créer des batteries qui sont les mieux adaptées aux cycles quotidiens et à l’adoucissement de la courbe de production des énergies renouvelables pendant la journée, grâce à leur capacité à gérer au moins 10 cycles de charge-décharge par jour, tout en ayant une bonne capacité de rétention pendant jusqu’à 24 heures. La durée de vie de la batterie peut être très longue, jusqu’à 20-25 ans, et même alors, il faudrait seulement remplacer les parties du cadre en plastique, les composants métalliques étant presque entièrement recyclables.

Le secteur est très actif, avec des sociétés comme CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power, et VRB Energy qui travaillent sur cette technologie.

Batteries Au Sel De Mer / Eau De Mer Salée

Ce concept repose sur l’écoulement d’ions de sel à travers une membrane pour stocker de l’énergie. Certaines versions de cette batterie fabriquée par Salgenx n’utilisent même pas de membrane, ce qui réduit les coûts, la complexité et la maintenance, mais avec un électrolyte spécialement conçu qui ne se mélange pas avec l’eau.

Batteries Au Métal Fondue

Le concept est basé sur la fusion de l’aluminium, un processus qui consomme beaucoup d’électricité ; que se passerait-il si on pouvait l’inverser ?

Beaucoup de coûts de batterie proviennent des difficultés de fabrication. Les anodes et les cathodes doivent être parfaitement séparées pour éviter les courts-circuits.

Dans une batterie au métal fondue, les trois principaux composants, l’anode, la cathode et l’électrolyte, sont liquides. Ils se séparent spontanément les uns des autres grâce à des densités de liquide différentes. Le fait qu’il n’y ait pas de composants solides devrait en théorie augmenter considérablement la durée de vie de la batterie, ainsi que lui permettre de se charger et de se décharger très rapidement et d’être entièrement recyclable.

La société Ambri, qui utilise une batterie au calcium et à l’antimoine, vise à produire 200 000 cellules de batterie par an dans sa nouvelle usine d’ici 2024, et a été fournisseur de Microsoft depuis 2022.

Source: Ambri

La société NGK insulator est également en train de travailler sur une batterie au sodium-soufre fondue, et la société FZSoNick travaille sur une batterie au sodium-nickel-chlore.

Batteries Métal-Hydrogène / Batteries Au Nickel-Hydrogène

Ces batteries font cycle de l’hydrogène en eau, puis oxydent un métal. Même si le nickel n’est pas le seul métal de cathode possible dans cette technologie (des alternatives peuvent être le manganèse, le plomb ou le fer), c’est le plus courant et le plus dense en énergie.

C’est le type de batterie utilisé par la NASA sur la station spatiale internationale.

Cette technologie aurait l’avantage d’être très sûre, avec zéro maintenance et capable de gérer une large gamme de températures (-40 à +60°C).

Cette technologie est notamment promue par Enervenue, qui est sorti de la phase de confidentialité en 2020, en présentant une nouvelle version de sa batterie avec une durée de vie de 30 ans et 30 000 cycles, sortie en septembre 2023. Les batteries hydrogène-manganèse sont développées par RFC Power.

Batteries Au Dioxyde De Carbone

L’augmentation des niveaux de CO2 est la force motrice derrière la poussée pour les énergies renouvelables et l’électrification, et donc derrière le besoin croissant de batteries.

Noon Energy CO2 batterie divise le CO2 en carbone et en oxygène pour stocker de l’énergie. La batterie à flux est exploitée à haute pression et à des températures allant de 50 à 200 bar et de 600 à 800 ºC. Cette batterie a été tout d’abord développée pour le rover Mars Perseverance.

Cela ne doit pas être mal interprété comme étant la même chose que la « batterie CO2 » d’Energy Dome, qui repose sur le cycle de liquéfaction et d’évaporation du CO2, ce qui en fait non pas une vraie batterie, mais plus une sorte de stockage d’énergie par gaz comprimé.

Batteries Au Sodium-Soufre

Ces batteries ont été, jusqu’à présent, limitées à des applications où la batterie est maintenue à haute température (300°C). Cela peut ne pas être un problème pour les applications à l’échelle des services publics. Cependant, la technologie est encore quelque peu nouvelle et manque d’échelle et de production de masse pour l’instant. Rendre ces batteries très durables peut également être un défi technologique.

Batteries Au Polymère

Appelées également batteries en plastique, ce concept utilise un polymère conducteur au lieu du lithium ou d’autres métaux. L’avantage principal de ce concept est qu’il repose sur une fabrication simple et des matériaux facilement disponibles. La batterie résultante serait également très durable et facile à exploiter en toute sécurité.

Polyjoule, une spin-off du MIT, est l’un des leaders dans cette idée. Mais cela pourrait, à long terme, ne pas être un type de batterie qui puisse réduire les coûts autant que certaines autres alternatives.