Stockage de l’électricité par batterie : les différentes technologies (1/3)

Si la batterie Lithium-Ion est aujourd’hui la star du stockage d’électricité par batterie, d’autres technologies existent, certaines anciennes, d’autres émergentes : batteries au plomb, Redox-Flow, Sodium-Souffre, Zebra… A l’heure où la start-up énergétique française Kemwatt va commercialiser ses nouvelles batteries Redox-Flow, particulièrement adaptées pour le stockage long, visite guidée des différentes technologies et de leur état de maturité. Première partie aujourd’hui, avec la batterie au plomb et la batterie Lithium-Ion.

En terme de stockage de l’électricité, l’expression « batterie » peut recouvrir des réalités extrêmement différentes, tant pour la puissance stockée que pour la durée de vie, le nombre de cycle, l’encombrement des systèmes ou leur impact environnemental.

Pour autant, ces différentes solutions partagent le fait de transformer l’énergie électrique en énergie chimique, et de présenter une électricité immédiatement disponible, sans délai : flexibles et réactives, les batteries sont en général composée d’une série d’accumulateurs qui permettent de cumuler la puissance de chaque unité.

Batteries au plomb : trop d’inconvénients pour être une solution d’avenir

Historiquement la batterie au plomb fut la première utilisée pour stocker de l’électricité. Créée en 1859, elle continue d’être largement utilisée, dans les véhicules ferroviaires et automobiles, dans l’industrie, les avions, les satellites. Economique à produire, simple et robuste, elle propose une énergie immédiatement disponible.

La batterie au plomb est un ensemble d’accumulateurs au plomb et à l’acide sulfurique, raccordés en série, réunis dans le même boitier. Les premières fermes de batteries, permettant de stocker de l’électricité produite à un instant T, et la réinjecter sur le réseau un peu plus tard, étaient équipées de batteries au plomb. De nombreuses sont encore en service, mais la technologie est progressivement abandonné pour cet usage.

La batterie au plomb présente en effet le double inconvénient d’une énergie massique faible, l’une des plus faibles de toutes les batteries étudiées ici (35Wh/kg), et d’un nombre de cycles limité entre 400 et 800. Elle est également extrêmement sensible à la chaleur ; de mauvaises conditions d’utilisation peuvent réduire le nombre de cycle à moins d’une centaine. Le plomb est par ailleurs un polluant particulièrement dangereux, et même si ces batteries se recyclent très bien, elles restent dangereuses à moyen et long terme pour l’environnement. Elles sont à l’origine de nombreuses pollutions massives de sols ou de nappes phréatiques.

Elles ont enfin le défaut qui va avec leur robustesse : leur principe est tellement simple qu’elles peuvent difficilement être améliorée. Là où d’autres technologies proposent sans cesse des batteries plus performantes, en terme de puissance, de miniaturisation ou de durée de vie, la batterie au plomb ne présente que peu d’amélioration.

Batterie Lithium-Ion, la solution mature pour le stockage à court terme

En quelques années, les batteries Lithium-Ion se sont largement imposées dans les nouveaux domaines clés du stockage de l’électricité, véhicules électriques, fermes de batteries, stockage individuel. Dans ces batteries le lithium est utilisé à l’état ionique, grâce à un composé d’insertion, aussi bien pour l’électrode négative (le plus souvent en graphite) que la positive (le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié, dioxyde de cobalt ou manganèse).

Cette technologie est récente, la batterie a été créé en 1991, elle permet une impressionnante miniaturisation, qui l’a généralisé pour le marché de l’électronique portable. Mais ses avantages ne s’arrêtent pas là : elle possède une haute densité d’énergie, ce qui permet une puissance massique entre 300 et 1 500 Wh/kg, qui en fait une des batteries au rendement le plus élevé. Elle présente une faible auto-décharge, ne nécessite pas de maintenance, est robuste, légère, d’une taille modeste.

Elle est aujourd’hui la technologie la plus mature pour le stockage de l’électricité sur des durées de quelques heures, permettant par exemple d’utiliser l’énergie produite par une éolienne alors que le vent est tombé, ou celle produite par un panneau photovoltaïque la nuit suivant la production. La majorité des nouvelles fermes de batteries construites le sont avec des batteries Lithium-Ion, c’est cette technologie que privilégie Tesla, avec ses records de vitesse (une ferme en 100 jours) ou de puissance (un projet de 100 MW), mais aussi EDF et la plupart des énergéticiens du monde.

Elle présente également l’avantage de disposer d’une double vie : en effet le nombre de cycle de charge et décharge à forte puissance est limité à entre 400 et 1200, mais elle reste ensuite utilisable à plus faible niveau de décharge pendant encore des centaines de cycles. Si bien qu’elle peut être, dans sa première vie, utilisée dans un véhicule électrique, et, dans sa seconde vie, dans un système de stockage d’électricité, ferme de batterie ou stockage domestique.

Si on l’utilise à faible niveau de charge et de décharge, c’est à dire directement pour une solution de stockage d’électricité, elle peut atteindre plusieurs milliers de cycles.

Batterie Lithium-Ion : pas exempte de défauts

Pour autant, cette technologie n’est pas exempte de défauts. Sa durée de vie, quoiqu’en amélioration, reste limitée : les dernières batteries Lithium-Ion revendiquent jusqu’à 5 ou 6 ans de durée de vie, contre entre 2 ou 4 pour les premières génération. Les hautes températures, au-delà de 40°C, ont par ailleurs un effet délétère sur cette durée de vie. Ses composés sont également extrêmement dangereux : le risque d’incendie ou d’explosion est réel en cas de mauvaise utilisation.

Elle n’est pas, en l’état, recyclable, et le lithium, même utilisé en très faible quantité par batterie, est un polluant particulièrement toxique. En fin de vie, ces batteries doivent être traitées pour stabiliser les impacts dangereux de ces matériaux.

Enfin la batterie Lithium-Ion reste peu adaptée aux fortes puissances de stockage et surtout aux longues durées de stockage, elle n’est pas la meilleure solution pour conserver une électricité disponible pendant plusieurs jours ou plusieurs semaines.

En revanche, cette technologie ne cesse de s’améliorer : étant mature et économiquement rentable, elle permet aux fabricants d’investir massivement dans la recherche et le développement, repoussant sans cesse les limites de ce que cette batterie peut offrir. Signe des temps : c’est cette technologie qu’Ikea a choisi pour équiper ses futures batteries solaires domestiques, en annonçant un tarif nettement plus compétitif (3 300 euros) que le leader actuel de ce marché, le Powerwall de Tesla (5 500 euros environ).

Rendez-vous demain pour la suite de notre étude, où nous explorerons les différentes batteries utilisant le sodium.