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La batterie au sel fondu rechargeable gèle l’énergie en place pour un stockage à long terme

Au printemps dans le nord-ouest du Pacifique, l’eau de fonte de la fonte des neiges dévale les rivières et le vent souffle souvent fort. Ces forces font tourner les nombreuses turbines électriques de la région et génèrent une abondance d’électricité à une époque où les températures sont douces et la demande énergétique relativement faible. Mais une grande partie de cet excédent d’électricité saisonnier – qui pourrait alimenter les climatiseurs l’été – est perdu parce que les batteries ne peuvent pas le stocker assez longtemps.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), un laboratoire national du ministère de l’Énergie à Richland, Washington, développent une batterie qui pourrait résoudre ce problème. Dans un article récent publié dans Rapports de cellule Sciences physiquesils ont montré comment la congélation et la décongélation d’une solution de sel fondu créent une batterie rechargeable qui peut stocker l’énergie à moindre coût et efficacement pendant des semaines ou des mois à la fois. Une telle capacité est cruciale pour déplacer le réseau américain des combustibles fossiles qui libèrent des gaz à effet de serre vers les énergies renouvelables. Le président Joe Biden s’est fixé pour objectif de réduire de moitié les émissions de carbone des États-Unis d’ici 2030, ce qui nécessitera une augmentation majeure des sources d’énergie éolienne, solaire et autres, ainsi que des moyens de stocker l’énergie qu’elles produisent.

La plupart des batteries conventionnelles stockent l’énergie sous forme de réactions chimiques en attente de se produire. Lorsque la batterie est connectée à un circuit externe, les électrons se déplacent d’un côté de la batterie à l’autre à travers ce circuit, générant de l’électricité. Pour compenser le changement, des particules chargées appelées ions se déplacent à travers le fluide, la pâte ou le matériau solide qui sépare les deux côtés de la batterie. Mais même lorsque la batterie n’est pas utilisée, les ions se diffusent progressivement à travers ce matériau, qui s’appelle l’électrolyte. Comme cela se produit au fil des semaines ou des mois, la batterie perd de l’énergie. Certaines piles rechargeables peuvent perdre près d’un tiers de leur charge stockée en un mois.

“Dans notre batterie, nous avons vraiment essayé d’arrêter cette condition d’auto-décharge”, explique Guosheng Li, chercheur au PNNL, qui a dirigé le projet. L’électrolyte est constitué d’une solution saline qui est solide à température ambiante mais devient liquide lorsqu’elle est chauffée à 180 degrés Celsius, soit la température à laquelle les biscuits sont cuits. Lorsque l’électrolyte est solide, les ions sont bloqués en place, empêchant l’autodécharge. Ce n’est que lorsque l’électrolyte se liquéfie que les ions peuvent traverser la batterie, lui permettant de se charger ou de se décharger.

Créer une batterie capable de résister à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement n’est pas une mince affaire. Les fluctuations de température provoquent l’expansion et la contraction de la batterie, et les chercheurs ont dû identifier des matériaux résistants capables de tolérer ces changements. “Ce que nous avons vu auparavant, c’est beaucoup de recherches actives pour s’assurer que vous n’avez pas à passer par ce cycle thermique”, explique Vince Sprenkle, conseiller stratégique en stockage d’énergie au PNNL et co-auteur du nouveau document. “Nous disons:” Nous voulons passer par là, et nous voulons pouvoir survivre et utiliser cela comme une caractéristique clé. “”

Le résultat est une batterie rechargeable fabriquée à partir de matériaux relativement peu coûteux qui peuvent stocker de l’énergie pendant de longues périodes. “C’est un excellent exemple de technologie prometteuse de stockage d’énergie de longue durée”, déclare Aurora Edington, directrice des politiques de l’association de l’industrie de l’électricité GridWise Alliance, qui n’a pas participé à cette recherche. “Je pense que nous devons soutenir ces efforts et voir jusqu’où nous pouvons les mener vers la commercialisation.”

La technologie pourrait être particulièrement utile dans un endroit comme l’Alaska, où l’ensoleillement estival presque constant coïncide avec des taux de consommation d’énergie relativement faibles. Une batterie capable de stocker de l’énergie pendant des mois pourrait permettre à une énergie solaire estivale abondante de répondre aux besoins en électricité de l’hiver. “Ce qui est si attrayant avec la batterie gel-dégel, c’est cette capacité de changement saisonnier”, déclare Rob Roys, directeur de l’innovation chez Launch Alaska, une organisation à but non lucratif qui s’efforce d’accélérer le déploiement des technologies climatiques dans l’État. Roys espère piloter la batterie PNNL dans une partie reculée de son état.

Le chauffage de la batterie peut être un défi, en particulier dans les endroits froids. Même dans des conditions douces, le processus de chauffage nécessite une énergie équivalente à environ 10 à 15 % de la capacité de la batterie, explique Li. Les phases ultérieures du projet exploreront les moyens de réduire les exigences de température et d’intégrer un système de chauffage dans la batterie elle-même. Une telle caractéristique simplifierait la batterie pour l’utilisateur et pourrait potentiellement la rendre adaptée à une utilisation domestique ou à petite échelle.

À l’heure actuelle, la technologie expérimentale est destinée à des utilisations à grande échelle et industrielles. Sprenkle envisage quelque chose comme des conteneurs de camion semi-remorque avec des batteries massives à l’intérieur, garés à côté de parcs éoliens ou de panneaux solaires. Les batteries seraient chargées sur place, refroidies et conduites vers des installations appelées sous-stations, où l’énergie pourrait être distribuée par des lignes électriques selon les besoins.

L’équipe du PNNL prévoit de continuer à développer la technologie, mais ce sera finalement à l’industrie de développer un produit commercial. “Notre travail au DOE consiste vraiment à dérisquer les nouvelles technologies”, déclare Sprenkle. “L’industrie décidera si elle pense qu’elle a été suffisamment dérisquée, et elle s’en chargera et s’en accommodera.”

Le DOE s’efforce de réduire le délai qui se produit généralement entre les premières démonstrations de recherche et la commercialisation des technologies énergétiques. Bien que les scientifiques aient commencé à développer des batteries lithium-ion dans les années 1970, par exemple, les batteries ne se sont retrouvées dans les produits de consommation que vers 1991 et n’ont été intégrées aux réseaux électriques qu’à la fin des années 2000. L’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique peuvent aider à accélérer le processus de validation et de test des nouvelles technologies, selon Sprenkle, permettant aux chercheurs de modéliser et de prédire une décennie de performances de la batterie sans avoir besoin de 10 ans pour collecter les données.

On ne sait pas si l’adoption se fera assez rapidement pour atteindre les objectifs de décarbonisation. “Si nous essayons vraiment d’atteindre les objectifs de décarbonisation de 2030, 2035, toutes ces technologies doivent être accélérées d’environ un facteur cinq”, déclare Sprenkle. “Vous envisagez des développements qui doivent être mis en ligne, être validés et prêts à être transférés dans les quatre à cinq prochaines années pour vraiment, vraiment avoir un impact.”

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