L’histoire humaine a été marquée par l’omniprésence de deux matériaux, le ciment et le noir de carbone, semblable à un charbon très fin. Une étude récente suggère qu’ils pourraient être la base d’un système de stockage d’énergie innovant et économique.
La technologie pourrait faciliter l’utilisation de sources d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne et marémotrice. En effet, elle permettrait de maintenir la stabilité des réseaux d’énergie malgré les fluctuations de l’offre d’énergie renouvelable. Les chercheurs ont découvert que ces deux matériaux, combinés avec de l’eau, peuvent former un supercapaciteur, une alternative aux batteries, capable de stocker l’énergie électrique.
À titre d’exemple, les chercheurs du MIT qui ont développé ce système estiment que leur supercapaciteur pourrait à terme être incorporé à la fondation en béton d’une maison. Il pourrait y stocker une journée complète d’énergie sans augmenter (ou très peu) le coût de la fondation et tout en fournissant la résistance structurelle nécessaire.
Une technologie simple mais innovante
Cette technologie novatrice est décrite dans un article à paraître dans la revue PNAS, co-écrit par les professeurs du MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic, Yang-Shao Horn et quatre autres chercheurs du MIT et de l’Institut Wyss.
Les supercapaciteurs sont en réalité des dispositifs très simples, constitués de deux plaques conductrices d’électricité immergées dans un électrolyte et séparées par une membrane. La clé du nouveau supercapaciteur développé par cette équipe réside dans une méthode de production d’un matériau à base de ciment possédant une très grande surface interne grâce à un réseau dense et interconnecté de matière conductrice dans son volume global.
Un matériau fascinant aux applications multiples
« Le matériau est fascinant« , déclare Admir Masic. « Car il associe le ciment, le matériau le plus utilisé au monde, au noir de carbone, un matériau historiquement reconnu – les manuscrits de la mer Morte ont été rédigés avec ce dernier. »
« Vous avez ces matériaux vieux de plus de deux millénaires qui, lorsque vous les combinez d’une manière spécifique, donnent naissance à un nano-composite conducteur, et c’est à ce moment-là que les choses deviennent vraiment intéressantes.«
L’équipe a calculé qu’un bloc de béton dopé au nanocarbone et au noir d’une taille de 45 mètres cubes, soit l’équivalent d’un cube d’environ 3,5 mètres de côté, aurait une capacité suffisante pour stocker environ 10 kilowattheures d’énergie, ce qui correspond à la consommation quotidienne moyenne d’électricité d’un ménage. Le béton conservant sa résistance, une maison dont les fondations sont faites de ce matériau pourrait stocker l’équivalent d’une journée d’énergie produite par des panneaux solaires ou des éoliennes et l’utiliser en cas de besoin. De plus, les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés beaucoup plus rapidement que les batteries.
Après une série de tests visant à déterminer les proportions les plus efficaces de ciment, de noir de carbone et d’eau, l’équipe a fait la démonstration du processus en fabriquant de petits supercondensateurs, de la taille de certaines piles boutons, d’environ 1 centimètre de diamètre et de 1 millimètre d’épaisseur, qui pouvaient chacun être chargés à 1 volt, ce qui est comparable à une batterie de 1 volt. Ils ont ensuite connecté trois de ces condensateurs pour démontrer leur capacité à allumer une diode électroluminescente (DEL) de 3 volts. Ayant prouvé le principe, ils prévoient maintenant de construire une série de versions plus grandes, en commençant par celles de la taille d’une batterie de voiture typique de 12 volts, puis en allant jusqu’à une version de 45 mètres cubes pour démontrer sa capacité à stocker l’énergie d’une maison.
Des supercapaciteurs en service de la transition énergétique
Ulm affirme que les supercapaciteurs fabriqués à partir de ce matériau ont un grand potentiel pour aider à la transition vers les énergies renouvelables dans le monde. Il y a un énorme besoin de stockage d’énergie de grande capacité », dit-il, et les batteries existantes sont trop coûteuses et reposent principalement sur des matériaux comme le lithium, dont l’offre est limitée.
« C’est là que notre technologie est extrêmement prometteuse, car le ciment est omniprésent« , ajoute Franz-Josef Ulm.
En fonction des propriétés souhaitées pour une application donnée, le système pourrait être réglé en ajustant le mélange. Pour une route de recharge de véhicules, des taux de charge et de décharge très rapides seraient nécessaires, alors que pour l’alimentation d’une maison « vous avez toute la journée pour la recharger », un matériau à charge plus lente pourrait être utilisé, explique M. Ulm.
« Il s’agit donc d’un matériau multifonctionnel« , ajoute-t-il. Outre sa capacité à stocker l’énergie sous forme de supercondensateurs, le même type de mélange de béton peut être utilisé comme système de chauffage, en appliquant simplement de l’électricité au béton chargé de carbone.
M. Ulm y voit « une nouvelle façon d’envisager l’avenir du béton dans le cadre de la transition énergétique« .
En Synthèse
Le ciment et le noir de carbone, deux matériaux historiques, pourraient former la base d’un système de stockage d’énergie novateur et économique. Le supercapaciteur développé à partir de ces matériaux pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique en facilitant l’utilisation d’énergies renouvelables.
Pour une meilleure compréhension
Les supercapaciteurs sont-ils une alternative aux batteries ?
Oui, les supercapaciteurs peuvent stocker des charges électriques exceptionnellement importantes, similaires à celles des batteries.
Quel est le rôle du ciment et du noir de carbone dans cette technologie ?
Le ciment et le noir de carbone sont utilisés pour créer un matériau à base de ciment possédant une très grande surface interne. Ce matériau est ensuite utilisé pour créer les supercapaciteurs.
Quels sont les avantages de cette technologie ?
Cette technologie est économique, utilise des matériaux disponibles partout dans le monde et pourrait aider à faciliter l’utilisation d’énergies renouvelables en stockant l’énergie pour une utilisation ultérieure.
Légende illustration principale : les ingénieurs du MIT ont créé un « supercondensateur » à partir de matériaux anciens et abondants, capable de stocker de grandes quantités d’énergie. Composé uniquement de ciment, d’eau et de noir de carbone (qui ressemble à du charbon de bois en poudre), ce dispositif pourrait servir de base à des systèmes peu coûteux permettant de stocker des énergies renouvelables intermittentes, telles que l’énergie solaire ou éolienne.
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