Stockage de l’électricité par batterie : les différentes technologies (2/3)

Seconde partie de notre analyse des différentes technologies de stockage d’électricité sur batterie. Après les batteries au plomb, encore utilisées mais dépassées, et la batterie Lithium-Ion, leader incontesté de ce marché émergent, nous allons passer en revue les différents type de batteries utilisant le sodium.

Si, comme nous l’avons vu dans la première partie de notre étude, la batterie au plomb reste « à jamais la première », ce n’est plus une solution d’avenir pour le stockage de l’électricité ; à l’inverse, la batterie Lithium-Ion s’est imposée en quelques années comme la solution en apparence idéale, malgré des inconvénients certains.

Des technologies moins traditionnelles

Mais des technologies moins traditionnelles existent, pas forcément encore matures, mais promettant pour certaines de réelles plus-values sur les batteries Lithium-Ion. Elles se divisent en deux grandes familles.

Nous étudierons aujourd’hui la première, celle des batteries utilisant le sodium.

Batterie Zebra (Sodium-Chlorure de nickel) : brillante en théorie, mais trop contraignante

Cette batterie a été mise en place au milieu des années 1980 : elle utilise une électrode positive, en chlorure de nickel, associée à une électrode liquide auxiliaire. Si la surface de la batterie reste à une température « normale » (30°C), à l’intérieure, les électrodes, pour rester liquides, doivent être maintenues à une température entre 270 et 350°C. La batterie Zebra offre une excellente énergie, un excellent rendement, un énergie massique élevée, de l’ordre d’une centaine de Wh/kg, un nombre de cycles corrects, entre 800 et 1 200, une recharge extrêmement rapide, une fiabilité certaine.

Ses inconvénients principaux sont liés à sa température : tant qu’elle est utilisée, en charge ou en décharge, elle maintient sa température « seule » ; mais dès qu’elle n’est plus utilisée, elle perd 12% de son énergie par jour en auto-décharge, uniquement pour maintenir sa chaleur. Cela en fait la batterie avec l’auto-décharge la plus élevée, qui la « condamne » à des usages intensifs. De plus, si la batterie n’est pas utilisées pendant quelques jours, l’électrolyte se solidifie – il faut alors plusieurs jours pour que la batterie redevienne opérationnelle, ce qui peut précipiter sa fin de vie.

Etrangement, elle a surtout été utilisée au début des années 2000 comme batterie de véhicules électriques, essentiellement sur des flottes de transports en commun ou autres véhicules continuellement en service. Des expérimentations ont été lancé pour le stockage stationnaire, qui semble pourtant parfaitement adapté à ses caractéristiques : un système a notamment été testé en Ontario, avec un rendement de l’ordre de 84%, mais sa complexité d’utilisation qui a fini par décourager les investisseurs. L’augmentation brutale du cours du nickel, à la fin des années 2 000, n’a pas non plus aidé sa cause.

Et si elle demeure utilisée, elle n’a pas connu d’évolution majeure et semble appartenir au passé, comme une technologie prometteuse, qui aurait pu s’imposer, mais dont la complexité et les contraintes en terme de chaleur à ont fini par signer la mort.

Batterie Sodium-Soufre (Na-S) : opérationnelle, efficace, mais lente à développer

Sa petite sœur, la batterie Sodium-Soufre, se porte, quant à elle, plutôt bien. Son principe est d’utiliser, elle aussi, des électrodes liquides, mais sous formes ioniques de sodium (pôle négatif) et de soufre (pôle positif). L’électrolyte solide intermédiaire est une céramique d’alumine bêta (de sodium) et la température nécessaire au fonctionnement est comprise entre 290 et 390°C.

A l’inverse de la batterie Zebra, qui a d’abord été pensée pour les véhicules électriques, la batterie NA-S a été développée pour du stockage stationnaire, en soutient de sources d’énergies renouvelables – en cohérence avec ses capacités de stockage élevées. Elle offre une bonne densité énergétique, de l’ordre de 100 à 110 Wh/kg et des rendements particulièrement forts, entre 89 et 92%.

Elle reste cependant complexe à mettre en place, moins fragile que la batterie Zebra, mais nécessitant un haut niveau d’expertise technique. De nombreux systèmes issus de la première génération de ces batteries ont été installés avec succès au Japon, notamment un accumulateur de 34MW relié à la ferme de Rokkasho. Opérationnelle, cette première génération de batterie Sodium-Soufre demeurait chère à l’installation, ce qui a limité son expansion.

Mais la seconde génération, plus économique et offrant toujours un potentiel de puissance impressionnant, arrive à maturité. Cette technologie progresse lentement, car elle ne peut être testé qu’à échelle réelle. Deux démonstrateurs à échelle réelle ont été déployés avec succès au début des années 2010, l’un au Texas, l’autre à la Réunion par EDF. Ce dernier, d’une puissance de 1MW, a permis à l’Ile d’atteindre un taux d’énergies renouvelables de 32%.

Ces réussites appellent d’autres développements, industriels et à plus grande échelle. Des technologies sur batteries opérationnelles, elle est actuellement celle qui présente le plus d’avantages pour s’imposer sur le stockage de masse. Finira-t-elle comme la Zebra ou aura-t-elle un destin lent mais glorieux ? L’avenir seul nous le dira.

Batterie Sodium-Ion : une petite nouvelle aux grandes ambitions

Changement d’échelle et de principe technique : le seul vrai point commun entre la batterie Sodium-Ion et les batteries Zebra et Na-S, c’est qu’elles utilisent le sodium. Pour le reste, la batterie Sodium-Ion, dont un prototype a été présenté l’année dernière par une équipe de chercheurs du CNRS et du CEA, se rapproche davantage de la batterie Lithium-Ion. Son principe est le même, mais pas ses composés : au lieu du Lithium, du Sodium, mille fois plus abondant sur terre et donc nettement moins cher.

Cette batterie n’existe encore qu’à l’état de prototype miniature, mais elle est prometteuse : charge et décharge rapide, durée de vie de plus de 2 000 cycles, énergie massique de 90Wh/kg. Cette dernière n’atteindra jamais, même avec des améliorations, celle de la batterie Lithium-Ion, ce qui l’empêchera de concurrencer cette dernière sur les application où la densité d’énergie doit être forte, comme les véhicules électriques.

En revanche, en matière de stockage stationnaire d’énergie, un défaut d’énergie massique n’est pas rédhibitoire si la batterie est moins chère à fabriquer, tout aussi robuste et plus rapide. Elle a de nombreux atout pour se faire une place sur le marché du stockage de masse, notamment couplée avec des sources d’énergies renouvelables. Reste à franchir, rapidement, l’étape du développement industriel.

Rendez-vous demain pour la troisième et dernière partie de notre étude, consacrée aux batteries à flux.