Le Pacific Northwest National Laboratory a développé une batterie sûre et peu coûteuse pour le stockage d’énergie à l’aide de matériaux abondants sur Terre.
Les ingénieurs en électricité ont intégré efficacement les énergies renouvelables dans le réseau électrique, et les énergies renouvelables fournissent jusqu’à 20% de l’électricité aux États-Unis. Cependant, passer au niveau supérieur nécessitera des systèmes à grande échelle pour stocker l’excès d’énergie lorsque le soleil brille et le vent souffle, et le renvoyer vers le réseau lorsque les énergies renouvelables fournissent moins d’énergie.
Les systèmes de stockage d’énergie par batterie utilisent des réactions électrochimiques pour stocker l’électricité et la restituer presque instantanément lorsque cela est nécessaire pour renforcer le réseau électrique. Les batteries lithium-ion, couramment utilisées dans les véhicules électriques, les téléphones portables et autres appareils électroniques, constituent une solution pour assurer ce stockage. Cependant, elles sont coûteuses, doivent être chargées et déchargées avec précaution, et ont une durée de vie limitée.
Système de stockage d’énergie par batterie dans l’État de Washington. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
En alternative, le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a développé une batterie à flux à base de fer utilisant un produit chimique couramment utilisé dans les stations de traitement de l’eau. Cette batterie pourrait permettre la mise en place à grande échelle de systèmes de stockage d’énergie par batterie peu coûteux.
Les batteries à flux
Le concept d’une batterie à flux remonte à 1879. Une batterie à flux a deux réservoirs contenant un électrolyte liquide différent (catholyte et anolyte). Les liquides se rencontrent dans une chambre de réaction d’oxydoréduction (redox). Une réaction électrochimique stocke l’énergie à travers des liaisons chimiques lorsque la batterie à flux est chargée. La réaction inverse libère l’énergie stockée lorsque la batterie est déchargée à travers un circuit externe. Les électrolytes liquides sont continuellement pompés des réservoirs dans la chambre de réaction. La quantité d’énergie pouvant être stockée dépend largement de la taille des réservoirs de stockage des électrolytes.
Les batteries redox au vanadium sont les plus couramment utilisées commercialement, mais elles ont une puissance et une densité énergétique limitées et sont coûteuses. La recherche est en cours pour trouver des matériaux plus abondants sur Terre afin de construire des batteries à flux économiques, à base d’eau et avec une capacité adéquate pour le stockage sur le réseau électrique.
Les batteries à flux à base de fer
Les chercheurs du PNNL développent une batterie à flux utilisant un produit chimique à base de fer couramment utilisé dans les installations de traitement de l’eau, et ce, dans un nouveau design de batterie à flux.
Comme le rapporte Nature Communications, la batterie à base de fer à l’échelle du laboratoire du PNNL a montré une bonne stabilité de cycle pendant 1 000 cycles de charge consécutifs, conservant 98,7% de sa capacité maximale. Des études précédentes sur d’autres batteries à flux à base de fer ont montré une dégradation de capacité d’un facteur de 10 ou plus pendant le même nombre de cycles de charge.
Batterie à flux de fer liquide pour le stockage d’énergie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de PNNL/Sara Levine
Ce qui rend la nouvelle batterie du PNNL différente, c’est la manière dont elle stocke l’énergie. Le produit chimique liquide combine du fer chargé avec un électrolyte liquide à base de phosphate à pH neutre en tant que transporteur d’énergie. L’acide nitrilotriméthylphosphonique (NTMPA), un phosphonate non toxique, est généralement utilisé pour inhiber la corrosion dans les stations de traitement de l’eau et est facilement disponible dans le commerce. Ce phosphonate se dissout bien dans l’eau et est également utilisé dans les détergents et les engrais.
La batterie à flux aqueux à base de fer du PNNL peut fonctionner à température ambiante et ses électrolytes liquides sont à un pH neutre. Ces facteurs augmentent la sécurité du dispositif.
Les chercheurs du PNNL indiquent que la conception de la batterie à flux permet d’obtenir une densité énergétique allant jusqu’à 9 watt-heures par litre (Wh/L). Cela est nettement inférieur aux 25 Wh/L qu’un système commercial à base de vanadium atteindra. Cela pourrait sembler être un problème, mais le faible coût des matériaux utilisés dans la batterie à flux à base de fer permet de fabriquer des batteries BESS stationnaires de très grande taille (extensibles à la taille d’un pâté de maisons) tout en restant économiquement viables. Le PNNL travaille également sur la tension de sortie et la concentration des électrolytes pour aider à augmenter la densité d’énergie de sa batterie et la rendre plus attrayante.
Les batteries à flux constitueront une étape importante dans l’utilisation de l’énergie renouvelable pour soutenir le réseau électrique, et des systèmes économiques à base d’eau comme la batterie du PNNL seront une partie importante de la stratégie de décarbonation.