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Pour atteindre 100% d’énergie renouvelable, nous avons besoin de bien meilleures batteries

Pour atteindre 100% d’énergie renouvelable, nous avons besoin de bien meilleures batteries

Quand il s’agit de stockage de réseau électrique, nos batteries ne sont pas terribles.

Un réseau entièrement alimenté par l’énergie solaire et éolienne ne fonctionnerait pas avec l’état actuel du stockage de l’énergie, car les énergies solaire et éolienne ne produisent pas de façon constante et ne peuvent pas être ajustées pour répondre à la demande. En d’autres termes, l’énergie solaire ne peut être produite qu’en l’absence de nuages et l’énergie éolienne que par vent. La production ne peut pas non plus être augmentée pour fournir plus d’électricité aux consommateurs pendant les heures hautes. Comment les entreprises énergétiques vont-elles donc fournir un flux constant d’électricité produite à partir de sources renouvelables?

Si nous voulons accroître notre dépendance à l’égard de l’énergie solaire et éolienne, les batteries pour stocker cette énergie devront s’améliorer bien plus rapidement. Heureusement, de nombreux nouveaux moyens (certains étranges) sont en cours de réalisation.

Les piles au lithium-ion

Le lithium-ion est le type de batterie le plus courant, mais plus elle est grosse, moins elle devient utile. Pour l’électronique grand public, les batteries lithium-ion fonctionnent assez bien parce qu’elles peuvent être rechargées rapidement et offrent une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu’elles fournissent beaucoup de puissance pour leur taille et leur poids. Même pour les applications de taille moyenne, telles que l’alimentation des voitures électriques, elles font le job.

Le problème est que le stockage d’une quantité suffisante d’énergie solaire et éolienne provenant de fermes nécessiterait des entrepôts remplis de batteries massives, et à cette taille, deux problèmes apparaissent.

Stabilité cyclique

La stabilité cyclique (PDF) est définie par « … le nombre de cycles de charge ou de décharge jusqu’à ce que sa capacité soit réduite à une certaine quantité de sa capacité nominale (généralement de 50 à 80 %)« . Pour le lithium-ion, il s’agit d’une moyenne de 1 000 cycles, ce qui réduit la faisabilité des investissements à long terme.

Un cycle de vie aussi court est dû à de minuscules changements dans la structure physique des électrodes. Comme les ions lithium sont transférés de l’anode à la cathode pendant la décharge, l’anode d’oxyde de nickel est érodée de façon non uniforme, et pendant la recharge, les ions lithium se cristallisent autour de la cathode. Avec le temps, ces procédés réduisent considérablement les performances de la batterie, en particulier aux hautes tensions.

Fuite thermique

Selon un article paru dans Nature, »Une fois que le taux de production de chaleur dépasse le taux de dissipation de chaleur dans l’environnement, la température de la cellule commence à augmenter ; par la suite, une séquence d’événements nuisibles se propage dans un processus connu sous le nom d’emballement thermique« .

Dans les batteries lithium-ion, affirment les auteurs, le processus peut commencer entre 90 et 120 degrés Celsius, conduisant à une boucle de rétroaction positive des réactions exothermiques. Les piles utilisées dans les petits appareils électroniques grand public comportent un certain nombre de dispositifs de sécurité pour éviter cela, même si certains incidents se produisent encore.

Cependant, plus la batterie est grosse, plus la température est élevée, ce qui augmente la probabilité que cela se produise dans le stockage à grande échelle de l’énergie solaire et éolienne.

Malgré ces problèmes, des batteries lithium-ion sont mises en œuvre pour le stockage à grande échelle du réseau. Le plus grand système a été mis en ligne à San Diego en février, fournissant de l’électricité à 20 000 personnes pendant quatre heures.

Le Powerwall lithium-ion de Tesla est conçu pour être installé dans un logement résidentiel, mais pour le recharger, il nécessite des panneaux solaires personnels, ce qui est hors de portée pour une personne moyenne.

De nouveaux types de piles

Bien que les batteries lithium-ion s’améliorent, nous avons besoin de quelque chose d’encore mieux si nous voulons passer à des sources d’énergie 100 % renouvelables.

Piles à flux redox (RFB)

Les RFB offrent un cycle de charge/décharge beaucoup plus long que les batteries lithium-ion et utilisent un électrolyte incombustible, ce qui laisse croire que c’est la solution.

Le US Department of Energy suggère (PDF) que les RFBs offrent « une longue durée de vie utile (>5 000 cycles profonds) grâce à une excellente réversibilité électrochimique« , et ne présentent pas « un risque d’incendie et n’utilisent pas de substances hautement réactives ou toxiques, minimisant ainsi les problèmes de sécurité et d’environnement ».

Les RFB se composent de deux réservoirs distincts qui contiennent les atomes de vanadium chargés, qui sont utilisés en raison de leur capacité unique à exister dans plus d’un état. Ceux-ci sont pompés le long des électrodes, ce qui crée la charge, comme le montre ce schéma (Fig. 2).

D’autres avantages incluent le fonctionnement à température ambiante, hautement efficace et l’évolutif. L’inconvénient est le coût, car le vanadium n’est pas facile à obtenir en grandes quantités et les solutions nécessitent des polymères spéciaux pour les contenir, bien que des méthodes soient mises au point pour les rendre plus rentables.

Amélioration du graphène

Isolé pour la première fois en 2004, le graphène n’est qu’un atome de carbone épais, ce qui en fait le matériau le plus mince du monde. Il est également chimiquement inerte, extrêmement bon conducteur, flexible, léger et 200 fois plus résistant que l’acier. Les chercheurs de l’Université de Manchester, où le graphène a été isolé pour la première fois, pensent qu’il « pourrait rendre les batteries légères, durables et adaptées au stockage d’énergie à haute capacité à partir de la production d’énergie renouvelable ».

Certaines utilisations déjà découvertes incluent l’amélioration de l’anode dans les batteries rechargeables pour améliorer la conductivité, ainsi que l’utilisation d’un hybride d’oxyde de vanadium et de graphène pour améliorer la cathode, ce qui peut aider à charger et décharger les vitesses et la durée de vie.

Cependant, les applications les plus passionnantes sont les supercondensateurs à graphène amélioré.

Un supercondensateur est semblable à une batterie, sauf qu’il emmagasine l’énergie dans un champ électrique plutôt que sous une forme chimique. Cela permet aux supercondensateurs de se charger et de se décharger rapidement et d’avoir une durée de vie beaucoup plus longue, même s’ils ne peuvent pas stocker autant qu’une batterie rechargeable classique et doivent être beaucoup plus grands pour stocker une charge équivalente.

En utilisant du graphène pour améliorer les supercondensateurs, ils pourront augmenter leur capacité de stockage et diminuer leur taille. Le Dr Han Lin, chercheur au Swinburne Centre for Micro-Photonics, affirme: »Dans ce processus, aucun ion n’est généré ou tué. Ils sont maintenus par la charge et la décharge, et sont juste déplacés. »

Graphene-info.com déclare: »Les performances améliorées par le graphène brouillent ainsi la ligne conventionnelle de distinction entre supercondensateurs et batteries ».

Les progrès de l’impression 3D ont permis aux chercheurs d’imprimer des électrodes de graphène pour les supercondensateurs, ainsi que des aérogels de graphène, ce qui « améliorera le stockage de l’énergie, les capteurs, la nanoélectronique, la catalyse et les séparations ». 

Voici le matériau de demain juste génial :

Les batteries sérigraphiées

Printed Energy, une société australienne, »imprime des piles semi-conductrices dans un format fin et flexible qui peut s’adapter à presque toutes les formes« . Elles sont imprimées en rouleau comme les journaux, et elles ont un large éventail d’applications.

Les applications potentielles pour les piles imprimées vont de l’alimentation d’appareils médicaux jetables, de capteurs, de dispositifs à l’intérieur des objets, de cartes à puce, d’appareils électroniques portables et d’éclairage personnel à des applications à plus grande échelle, telles que la combinaison de panneaux solaires flexibles pour aider à gérer l’intermittence et le stockage d’énergie.

Pour le stockage solaire et éolien à grande échelle, l’idée est de fixer les batteries sur des panneaux solaires ou des éoliennes, leur permettant ainsi d’être à la fois le générateur et la batterie.

La cellulose

Les chercheurs de l’Institut national des sciences et de la technologie d’Ulsan ont commencé à intégrer la cellulose :mettre ce qu’il y a dans les plantes dans les batteries. Ils utilisent cette matière végétale pour créer une couche nanométrique, appelée c-mat, entre les électrodes pour prévenir les courts-circuits, réduire le courant de fuite et augmenter la capacité de rétention à haute température.

L’un des principaux chercheurs déclare: »Le séparateur c-mat devrait être utilisé pour la prochaine génération de batteries haute performance à haute stabilité thermique, par exemple dans les batteries de grande taille pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’électricité à l’échelle du réseau. »

De nombreuses autres utilisations de la cellulose dans les batteries font actuellement l’objet de recherches.

Le stockage de l’énergie thermique (TES)

TES est un système permettant de stocker l’énergie solaire excédentaire en chauffant ou en refroidissant un fluide afin de pouvoir l’utiliser ultérieurement. L’Agence Internationale des Energies Renouvelables déclare: »TES devient particulièrement important pour le stockage de l’électricité en combinaison avec les centrales solaires concentratrices (CSP) où la chaleur solaire peut être stockée pour la production d’électricité lorsque la lumière du soleil n’est pas disponible ».

Il existe trois types de TES:

  • Le stockage de chaleur sensible, qui est le plus courant, stocke l’énergie thermique en chauffant ou en refroidissant une substance comme le sable, le sel fondu, les roches ou l’eau.
  • Le stockage de chaleur latente est similaire, sauf qu’il utilise des matériaux à changement de phase, qui absorbent une quantité énorme d’énergie lorsqu’ils passent du solide au liquide ou du liquide au gaz. En regardant ce graphique (Fig. 1), lors du changement de phase, le stockage d’énergie peut augmenter sans que la température monte, ce qui rend cette méthode très efficace.

  • Le stockage thermochimique utilise l’énergie thermique « pour déclencher une réaction chimique endothermique réversible, stockant l’énergie comme potentiel chimique. »

Le stockage par pompage

Cette méthode utilise l’énergie excédentaire pour pomper l’eau en amont et la stocker dans des réservoirs. Au besoin, elle est libéré pour faire tourner les turbines.

L’Association nationale de l’hydroélectricité affirme: »Avec une capacité à réagir presque instantanément aux changements dans la quantité d’électricité circulant sur le réseau, le stockage par pompage est une composante essentielle du réseau électrique national.

Cette méthode a déjà trouvé de nombreuses applications dans le monde entier, bien qu’elle ne soit pas très efficace par rapport à d’autres méthodes. … pour obtenir la quantité d’énergie emmagasinée dans une seule batterie AA, il faudrait soulever 100 kg (220 lb) de 10 m (33 pi) pour l’égaler. Pour égaler l’énergie contenue dans un gallon (3,7 litres) d’essence, il faudrait soulever 13 tonnes d’eau (3500 gallons) d’un kilomètre de haut (3 280 pieds).

100 % Énergies renouvelables

Un article récemment publié dans la revue Joule a tracé la voie pour 139 pays afin de produire 100 % de leur énergie à partir de sources renouvelables d’ici 2050. Les auteurs font plusieurs affirmations importantes au sujet de leur plan, comme éviter trois à 5 millions de décès dus à la pollution atmosphérique, réduire le coût du réchauffement climatique d’environ 28 milliards de dollars par an et connecter 4 milliards de personnes à un approvisionnement adéquat en électricité.

L’une des composantes centrales est la capacité à stocker l’énergie renouvelable. Si nous voulons passer aux énergies 100 % renouvelables, les exemples ci-dessus de stockage d’énergie qui changent la donne doivent devenir commercialement viables.

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