Troisième et dernière partie de notre analyse des différentes technologies de stockage d’électricité sur batterie. Après la batteries au plomb, la batterie Lithium-Ion, les batteries Sodium à électrolyses liquides et la batterie Sodium-Ion, nous terminons notre tour d’horizon par les batteries à flux.

Dans la première partie de notre étude, nous avons étudié deux technologies parfaitement adaptées au stockage d’électricité à court terme, la batterie plomb, qui devient obsolescente, et la batterie Lithium-Ion, qui domine largement le marché actuel. Dans la seconde partie, nous avons détaillé une batterie qui n’a jamais réussi à s’imposer pour le stockage, la Zebra, une batterie dédiée au stockage de masse qui reste la solution opérationnelle la plus efficace, la Sodium-Soufre, et une batterie encore à l’état de prototype, mais qui a tous les atouts pour s’imposer dans le stockage stationnaire, la Sodium-Ion.

Les batteries à flux : des avantages certains pour le stockage de grande capacité

Nous allons aujourd’hui étudier la dernière grande famille de batteries adaptables au stockage d’électricité, les batteries à flux. Ces batteries stockent les couples électrochimiques à l’extérieur de la batterie : deux grandes cuves renferment les électrolytes à l’état liquide, qui circulent à travers une cellule d’échange d’ions dont les deux compartiments sont séparés par une membrane solide.

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La réaction d’oxydoréduction n’a pas lieu au niveau des électrodes, mais au niveau de l’électrolyte : en conséquence, la quantité d’énergie que l’on peut stocker dépend de la taille des réservoirs d’électrolyte, que l’on peut agrandir selon les besoins. La puissance est indépendante de la capacité de stockage, contrairement à une batterie classique. Autre avantage : les bains d’électrolytes aident à réguler la température, ce qui permet d’éviter les hautes (ou très hautes) températures à l’intérieur des cellules.

Plusieurs types de batteries à flux ont été testées, mais trois seulement sont opérationnelles.

Batterie Zinc-Brome : efficace mais terriblement dangereuse

De nombreux démonstrateurs utilisant le couple Zinc et Brome existent de par le monde, une poignée d’installations opérationnelles sont encore en service. Mais aucun n’a pu trouver de solution convaincante (ou économiquement viable) aux problèmes que pose le brome, un composé corrosif et dangereux.

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La recherche et développement sur ce type de batterie a été stoppé partout dans le monde, la privant à coup sûr d’avenir.

Batterie Vanadium-Redox Flow : un potentiel brisé par la corrosion du vanadium

Il s’agit de la première génération des batteries Redox Flow, utilisant un couple redox de vanadium, dans une solution d’acide sulfurique. La vanadium existant en 4 états différents d’oxydation, les ions utilisés pour chaque électrolyte peuvent varier – mais ce sont à chaque fois du vanadium dans les deux électrolytes, sous un état d’oxydation différent.

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Ses avantages sont nombreux : sa capacité peut être augmentée à volonté, en utilisant simplement des réservoirs plus grands, elle peut être laissée déchargée pour de longues périodes sans dégradation, sa durée de vie oscille entre 10 et 20 ans, pour plus de 10 000 cycles. En cas de mélange accidentel des électrolytes, la batterie ne soufre d’aucun dommage – quand certaines batteries peuvent dans ce cas exploser ou prendre feu. Enfin elle peut être rechargée rapidement, simplement en remplacement l’électrolyte grâce à une pompe, sans la brancher sur une prise de courant.

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Elle présente cependant une énergie massique très faible, entre 10 et 20 Wh/kg et est complexe à mettre en œuvre : elle n’est réellement utilisables que pour du stockage à haute puissance et longue durée. Les premières installations opérationnelles existent depuis le début des années 2000, à King Island en Tasmanie, avec une batterie de capacité moyenne de 200kW toutes les quatre heures, ou à Tomamae Villa au Japon, d’une capacité de 4MW par 90 minutes.

Mais, là encore, malgré des réussites et un potentiel très fort, elle n’a pas réussi à s’imposer, en grande partie à cause de l’aspect corrosif du milieu chimique acide du vanadium, qui a tendance à attaquer les autres composants.

Batterie Quinones-Redox Flow : la vraie solution d’avenir ?

Mais une parade a été trouvée en 2014 par des chercheurs d’Harvard pour s’affranchir de l’aspect corrosif du vanadium tout en augmentant considérablement la rapidité de la batterie. Il s’agit de remplacer le vanadium par des quinones (un composé du benzène), toujours dans un bain d’acide sulfurique, avec des électrodes en carbone. La quinone est un composé organique, biodégradable et non corrosif ; cerise sur le gâteau, il offre une rapidité de charge / décharge 1 000 fois supérieure au vanadium.

Pour le reste, toutes les caractéristique (et tous les avantages donc) de la batterie Redox Flow au vanadium demeurent. Sa faible densité de stockage n’est pas un frein à son utilisation stationnaire. En la matière, le premier prototype vient d’être présenté par une start-up française, Kemwatt. Un démonstrateur est en cours d’achèvement, l’entreprise veut rapidement convaincre des partenaires de la fiabilité de sa nouvelle batterie.

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Taillée sur mesure pour le stockage long, robuste, modulable et durable !

Clairement positionnée sur les solutions de stockage long et à forte puissance, Kemwatt a réussi à mettre sur place une batterie qui ne craint pas la chaleur, à la durée de vie élevée, fiable, robuste et modulable, puisqu’il suffit d’ajouter des cuves de liquide pour augmenter la puissance.

« On vise un système avec très peu de maintenance, dans les systèmes plus classiques on rencontre souvent des problèmes de corrosion, grâce à la chimie de notre système (milieu alcalin), ce qui nous permet d’utiliser des matériaux plus intéressants, mais aussi d’éviter le remplacement de pièces ou les fuites. En définitive, l’objectif est d’obtenir une durée de vie qui soit calquée sur les systèmes de production auxquels nos batteries seront raccordées, par exemple des panneaux photovoltaïques, et de limiter la maintenance à des visites d’entretien préventives. » a ainsi déclaré François Huber, président de Kemwatt.

Cette batterie semble la solution idéale pour le stockage long : certes encore expérimentale, elle s’appuie sur une technologie qui a fait ses preuves depuis quinze ans et dont elle corrige le principal défaut – et sera donc plus rapidement mature que la batterie Sodium-Ion. Elle est moins complexe à mettre en place que les batteries Sodium-Soufre, et, de toutes les batteries étudiées, c’est celle qui s’appuie sur les matériaux les plus économiques et les plus durables : le système est facilement démontable et utilise majoritairement des composés biodégradables.

Elle ne concurrencera pas la batterie Lithium-Ion sur le stockage court, mais elle semble, avec la batterie Sodium-Ion, la meilleure option technologique pour un stockage long à puissance élevée, qu’il soit associé à des fermes éoliennes ou photovoltaïques à grande échelle.

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