Lithium-ion vs Batteries à flux : Une comparaison de technologies de pointe

Face au défi grandissant d’une consommation d’énergie constante et aux ressources énergétiques fluctuantes, la solution réside-t-elle dans une technologie en constante évolution ? Le rôle des batteries dans la gestion de l’énergie renouvelable, en particulier solaire, est en train de transformer notre façon de consommer de l’électricité.

Le succès des systèmes de batteries en Californie

La Californie, l’un des États les plus avancés dans le domaine des énergies renouvelables, s’est tournée vers les batteries lithium-ion pour stabiliser son réseau électrique. Lors d’une vague de chaleur en septembre dernier, les batteries ont fourni 3,3 GW, soit 6,8 % de l’offre totale, au moment où la demande était la plus forte. « Cela a aidé à stabiliser le réseau et à éviter les pannes dans la grille Californienne riche en énergies renouvelables », un bel exemple de l’efficacité de cette technologie.

Où placer ces batteries à grande échelle ?

Les systèmes de stockage d’énergie à batterie à grande échelle (BESS) sont souvent situés dans des zones rurales, à proximité de grands parcs solaires. Toutefois, les BESS de grande taille devront également être déployés dans des zones densément peuplées. Le décalage entre la production et la demande reste évident, mais il existe également un déséquilibre géographique moins connu.

Si l’énergie la moins chère ne peut pas circuler librement là où elle est nécessaire, les tarifs de congestion provoquent une augmentation du coût de l’énergie. La mise en œuvre de BESS près des nœuds stratégiques du réseau peut aider à gérer la congestion sans recourir ) la construction de nouvelles lignes de réseau onéreuses.

Considérations de sécurité et d’empreinte dans la chimie

Les batteries lithium-ion sont sûres à exploiter, avec des taux d’échec de cellules inférieurs à 1 sur 10 millions. Cependant, à l’échelle du mégawatt, le risque augmente, avec environ 150 000 batteries individuelles dans chaque unité BESS. Le taux d’échec de l’unité lithium-ion BESS est plus proche de 1 sur 1 000, où l’échec signifie des problèmes tels que la surchauffe, les incendies et, dans le pire des cas, les explosions.

Les électrolytes à base d’eau

Un problème clé est l’électrolyte inflammable utilisé dans les batteries lithium-ion actuelles. Une solution consisterait à utiliser des électrolytes à base d’eau, intrinsèquement non inflammables. Les « batteries à flux redox », par exemple, sont prometteuses pour le stockage à grande échelle car elles sont hautement évolutives. Leur faible densité énergétique est souvent citée comme une limitation majeure de la technologie.

L’importance de la densité énergétique

L’auteur de l’étude s’est demandé à quel point la densité énergétique s’avère être importante pour les grandes installations. Après une recherche sur Google Earth des installations BESS à l’échelle du mégawatt, il a déclaré : « J’ai mesuré l’empreinte des installations. La capacité énergétique par surface est dans de nombreux cas comparable entre les batteries lithium-ion et les batteries à flux. Mais au niveau de la cellule, elle diffère d’un ordre de grandeur ».

Cela souligne que cette métrique est plutôt insignifiante pour cette application. Ce qui compte vraiment, c’est le coût, la durée de vie, l’évolutivité, la fabrication automatisée, le recyclage et la sécurité de la chaîne d’approvisionnement, sans écarter aucune technologie sur la base de la métrique un peu surestimée de la densité énergétique.

En synthèse

La technologie des batteries, qu’il s’agisse de lithium-ion ou de batteries redox à flux, joue un rôle essentiel dans la stabilisation et la gestion du réseau énergétique. En répondant à des questions complexes de sécurité, de coût et d’efficacité, cette innovation offre des solutions prometteuses pour un futur énergétique durable et fiable.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que les systèmes de stockage d’énergie à batterie à grande échelle (BESS) ?

Les systèmes de stockage d’énergie à batterie à grande échelle (BESS) sont des solutions permettant de stocker l’énergie électrique à une échelle importante. Ils utilisent des batteries, généralement au lithium-ion, pour emmagasiner l’énergie produite par des sources renouvelables, comme les panneaux solaires, afin de la redistribuer pendant les périodes de demande accrue ou de faible production.

2. Comment la Californie utilise-t-elle les batteries pour stabiliser son réseau électrique

En Californie, les batteries sont utilisées pour stabiliser le réseau électrique en stockant l’énergie renouvelable produite pendant la journée et en la fournissant pendant les périodes de pointe de demande, comme pendant une vague de chaleur. Cela aide à maintenir un approvisionnement constant en énergie et à prévenir les pannes, en particulier dans un réseau qui dépend fortement des sources renouvelables.

3. Quels sont les avantages et les inconvénients des batteries lithium-ion par rapport aux batteries redox à flux ?

Les batteries lithium-ion offrent une densité énergétique élevée, une efficacité et une fiabilité, mais elles peuvent présenter des risques de sécurité, notamment des surchauffes et des incendies. Les batteries redox à flux, bien que moins denses en énergie, utilisent des électrolytes à base d’eau, ce qui les rend intrinsèquement non inflammables. Elles sont également plus évolutives, ce qui peut être avantageux pour des applications à grande échelle.

4. Comment les électrolytes à base d’eau contribuent-ils à la sécurité des batteries ?

Les électrolytes à base d’eau sont non inflammables, ce qui réduit considérablement les risques d’incendie dans les batteries. Cela rend les batteries utilisant des électrolytes à base d’eau, comme les batteries redox à flux, plus sûres pour les applications à grande échelle, en particulier dans des zones densément peuplées où la sécurité est une préoccupation majeure.

5. Quel est le rôle de la densité énergétique dans le choix des technologies de batteries

La densité énergétique détermine la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker par unité de volume ou de poids. Une densité énergétique élevée signifie que la batterie peut stocker plus d’énergie dans un espace plus réduit. Cela peut être essentiel pour certaines applications, comme les batteries domestiques. Cependant, pour les installations à grande échelle, d’autres facteurs tels que le coût, la durée de vie, la scalabilité et la sécurité peuvent être plus pertinents dans le choix de la technologie de la batterie.

David Reber et al, Beyond energy density : flow battery design driven by safety and location, Energy Advances (2023). DOI : 10.1039/D3YA00208J