Maria Skyllas-Kazacos, UNSW Sydney
Comme de plus en plus d’énergie solaire et éolienne alimente le réseau électrique australien, nous aurons besoin de moyens pour la stocker pour plus tard.
Nous pouvons stocker l’électricité de différentes manières, depuis les systèmes hydroélectriques pompés jusqu’aux grands systèmes de batteries lithium-ion. Nous pouvons également utiliser des batteries d’écoulement. Il s’agit d’un croisement moins connu entre une batterie classique et une pile à combustible.
Les batteries d’écoulement peuvent réinjecter de l’énergie dans le réseau pendant 12 heures, soit beaucoup plus longtemps que les batteries lithium-ion, qui ne durent que quatre à six heures.
J’ai été l’un des inventeurs de l’un des principaux types de batteries à flux dans les années 1980. Il a fallu des décennies pour que ces batteries deviennent commercialement viables. Mais elles sont enfin en train d’arriver sérieusement.
Cette année, le gouvernement australien a lancé une stratégie nationale pour les batteries afin de développer la fabrication nationale de ces dernières. Cette stratégie, dotée d’un budget de 500 millions de dollars australiens, se concentrera sur les célèbres batteries lithium-ion qui alimentent les téléphones et les voitures. Mais elle inclura également les piles à flux.
Les batteries sont de plus en plus importantes. Elles peuvent désormais alimenter les voitures, les maisons et même les villes. Des sommes considérables sont consacrées à la commercialisation de nouvelles chimies de batteries pour électrifier les transports et rendre possible l’écologisation du réseau électrique.
À ce jour, la plupart des batteries australiennes à l’échelle du réseau utilisent des chimies telles que le lithium-ion. Mais à mesure que notre réseau s’oriente vers les énergies renouvelables, nous aurons besoin d’un stockage de plus longue durée pour éliminer le besoin de générateurs de secours à base de combustibles fossiles. C’est une tâche qui convient parfaitement aux batteries à flux.
Qu’est-ce qui différencie les batteries à flux ?
Les batteries conventionnelles telles que les batteries lithium-ion stockent l’énergie dans leurs électrodes, généralement un métal.
Les batteries à flux stockent l’énergie dans leurs électrolytes liquides. Les solutions d’électrolytes sont stockées dans des réservoirs externes et pompées dans un réacteur où des réactions chimiques se produisent sur des électrodes inertes pour produire de l’énergie.
Les batteries d’écoulement peuvent être modifiées pour répondre aux exigences d’une tâche. Vous pouvez modifier la quantité d’énergie produite (en kilowatts) et la quantité de stockage (en kilowatts-heure). Pour augmenter la capacité de stockage, il faut augmenter le volume d’électrolytes dans les réservoirs.
À mesure que vous augmentez la capacité de stockage, le coût par kWh d’énergie stockée diminue considérablement. En effet, il suffit d’ajouter des électrolytes liquides plutôt que d’ajouter des blocs de batteries entièrement nouveaux, comme c’est le cas pour les batteries conventionnelles.
Cela signifie que les batteries à flux sont actuellement le moyen le moins cher de stocker de l’électricité pour des durées plus longues (plus de 8 heures). Contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries à flux peuvent fonctionner pendant des dizaines de milliers de cycles et l’électrolyte peut durer beaucoup plus longtemps, voire indéfiniment. L’inconvénient est leur poids : ces batteries sont très lourdes et ne sont pas portables.
À ce jour, ce sont les batteries zinc-brome et vanadium-redox qui ont fait l’objet du plus grand nombre d’essais et de mises en œuvre commerciales.
Flux de vanadium
Au milieu des années 1980, mes collègues et moi-même avons été les premiers à mettre au point des piles à flux redox au vanadium à l’université de Nouvelle-Galles du Sud. Le vanadium est un métal inhabituel. Il peut exister dans différents états d’oxydation dans la même solution. Cela signifie que l’on peut faire fonctionner une batterie en utilisant un seul élément, au lieu de deux, comme c’est le cas avec d’autres produits chimiques. Cela permet d’éviter la contamination croisée et donne à la solution électrolytique une durée de vie indéfinie.
Après des décennies de développement, les batteries à flux de vanadium sont maintenant produites commercialement par des entreprises au Japon, en Chine et en Europe, avec plusieurs gigawattheures de capacité installée dans le monde.
La Chine, premier producteur mondial de vanadium, a récemment approuvé de nombreux nouveaux grands projets de batteries à flux de vanadium. En décembre, la plus grande batterie au monde a été mise en service à Dalian, en Chine, avec une capacité de 175 MW et 700 mWH de stockage.
La première batterie à flux de vanadium à l’échelle du mégawatt a été installée en Australie-Méridionale en 2023. Le projet utilise des batteries de stockage à l’échelle du réseau pour stocker l’énergie d’une ferme solaire.
Le principal obstacle à la commercialisation a été l’obtention du vanadium, dont le prix et l’offre ont connu d’importantes fluctuations en raison de la demande concurrente de l’industrie sidérurgique.
Cette situation devrait changer. Les investissements du gouvernement dans les minéraux essentiels ont permis d’accélérer l’ouverture de plusieurs nouvelles mines et usines de traitement du vanadium. L’Australie pourrait devenir un grand producteur mondial de vanadium à l’avenir. En 2023, Townsville a accueilli la première usine australienne de production d’électrolytes au vanadium.
Fer et zinc
Les batteries à flux peuvent être construites à partir de nombreux produits chimiques différents. Deux autres chimies prometteuses sont le fer-fer et le bromure de zinc.
Les batteries à flux de fer sont en cours de développement aux États-Unis depuis 2011. Ces cellules utilisent du fer, du sel et de l’eau, ce qui évite d’avoir recours au vanadium.
En Australie, la société ESI Asia Pacific, basée dans le Queensland, prévoit de développer ses propres batteries à flux de fer dans une nouvelle usine à Maryborough, une fois la construction achevée en 2026.
Bien que le fer soit abondant et bon marché, ces batteries dépendent d’un chlorure de fer de grande pureté pour réduire la corrosion du fer. Cela peut signifier que les électrolytes coûtent beaucoup plus cher que prévu. Les données d’essais sur le terrain sont limitées à ce jour.
Les batteries zinc-brome utilisent une solution de zinc, un métal, et de brome, un élément extrait de l’eau salée. Cette chimie permet à chaque cellule de produire plus d’électricité que les autres batteries d’écoulement, mais elle s’accompagne d’un défi : trouver des moyens d’arrêter la croissance des dendrites arborescentes à l’intérieur de la cellule, qui peuvent perturber la production d’énergie ou déclencher des courts-circuits.
Un avenir alimenté par des batteries ?
La création d’une industrie australienne des batteries plus importante prendra du temps et nécessitera des fonds. Mais la demande de batteries va monter en flèche dans le monde entier dans les années à venir, dans les secteurs de l’électricité et des transports.
À mesure que nous nous efforçons d’électrifier les transports routiers, nous verrons la demande d’électricité augmenter, de même que la demande de batteries lithium-ion, désormais omniprésentes dans les véhicules électriques.
En tant que grand producteur de lithium, l’Australie pourrait également fabriquer des batteries au lithium, pour un usage national ou pour l’exportation. Pour être compétitifs au niveau mondial, nous devrions adopter l’automatisation.
Malgré des chimies différentes, les batteries d’écoulement partagent de nombreux composants communs qui pourraient être fabriqués localement et renforcer l’autosuffisance énergétique. Les batteries d’écoulement ont longtemps nécessité un assemblage manuel long et coûteux. Mais il est désormais possible d’automatiser les lignes d’assemblage, ce qui réduira les coûts et permettra aux batteries fabriquées en Australie d’être plus compétitives. Mes collègues et moi-même travaillons actuellement sur ce défi.
En l’espace d’une décennie, l’Australie pourrait devenir un fabricant de batteries compétitif au niveau mondial et un exportateur de minéraux essentiels. Ce faisant, elle contribuerait au passage à l’énergie propre, tant au niveau national que mondial.
Maria Skyllas-Kazacos, Professeur émérite, École d’ingénierie chimique, UNSW Sydney
Cet article est republié dans The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original. Traduction Enerzine.com
Légende illustration : La première batterie au vanadium à l’échelle du réseau en Australie a été achevée l’année dernière à Port Pirie, en Australie-Méridionale Yadlamalka Energy, (GREENHOUSE COMMUNICATIONS)
