Crédit photo: GabrielleMerk. Wikimedia.org (photo #46)

Une nouvelle batterie à base d'eau pourrait fournir un moyen peu coûteux de stocker l'énergie éolienne ou solaire pour plus tard, affirment les chercheurs.

La batterie stocke l'énergie générée lorsque le soleil brille et que le vent souffle, de sorte qu'il peut être réinjecté dans le réseau électrique et redistribué lorsque la demande est élevée.

Le prototype de batterie au manganèse-hydrogène, signalé dans Nature Energy, ne mesure que trois pouces de hauteur et génère un peu de milliwatts-heure d'électricité 20, ce qui est à égalité avec les niveaux d'énergie des lampes de poche à DEL qui pendent sur un porte-clés.

Malgré la diminution du rendement du prototype, les chercheurs sont convaincus qu'ils peuvent étendre cette technologie de table à un système de qualité industrielle qui pourrait charger et recharger jusqu'à 10,000 fois, créant une batterie à l'échelle du réseau avec une durée de vie utile bien supérieure à décennie.

Selon Yi Cui, professeur de science des matériaux à l'Université de Stanford et auteur principal du document, la technologie des piles au manganèse-hydrogène pourrait être l'une des pièces manquantes du puzzle énergétique du pays - une façon de stocker l'énergie éolienne ou solaire imprévisible. la nécessité de brûler des combustibles fossiles fiables mais émetteurs de carbone lorsque les sources renouvelables ne sont pas disponibles.

«Ce que nous avons fait est de jeter un sel spécial dans l'eau, de le jeter dans une électrode et de créer une réaction chimique réversible qui emmagasine des électrons sous forme de gaz hydrogène», explique Cui.

Chimie intelligente

Wei Chen, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Cui, a dirigé l'équipe qui a imaginé le concept et construit le prototype. Essentiellement, les chercheurs ont encouragé un échange d'électrons réversible entre l'eau et le sulfate de manganèse, un sel industriel bon marché et abondant utilisé pour fabriquer des piles sèches, des engrais, du papier et d'autres produits.

Pour imiter comment un vent ou une source solaire pourrait alimenter la batterie, les chercheurs ont attaché une source d'énergie au prototype. Les électrons qui circulaient réagissaient avec le sulfate de manganèse dissous dans l'eau pour laisser des particules de dioxyde de manganèse s'accrocher aux électrodes. Les électrons excédentaires ont dégouliné sous forme de gaz d'hydrogène, stockant cette énergie pour une utilisation future.

Les ingénieurs savent comment recréer l'électricité à partir de l'énergie stockée dans le gaz hydrogène. L'étape suivante importante a été de prouver qu'ils peuvent recharger la batterie à l'eau.

Les chercheurs ont fait cela en réattachant leur source d'énergie au prototype appauvri, cette fois dans le but d'induire les particules de dioxyde de manganèse accrochées à l'électrode de se combiner avec de l'eau, reconstituant le sel de sulfate de manganèse. Une fois que ce processus a rétabli le sel, les électrons entrants sont devenus excédentaires, et l'excès de puissance pourrait se dissiper sous forme de gaz d'hydrogène, selon une méthode qui peut être répétée encore et encore et encore.

Cui estime que, compte tenu de la durée de vie prévue de la batterie à eau, il en coûterait un sou pour stocker suffisamment d'électricité pour alimenter une ampoule 100-watt pendant douze heures.

«Nous croyons que cette technologie prototype sera en mesure d'atteindre les objectifs du ministère de l'Énergie en matière de commodité de stockage électrique à l'échelle des services publics», affirme M. Cui.

Le ministère de l'Énergie (DOE) a recommandé que les batteries destinées au stockage à l'échelle du réseau stockent puis déchargent au moins 20 en une heure, soient rechargeables au moins 5,000 et aient une durée de vie 10 ou plus. Pour le rendre pratique, un tel système de batterie devrait coûter $ 2,000 ou moins, ou $ 100 par kilowatt-heure.

L'ancien secrétaire du DOE et lauréat du prix Nobel Steven Chu, maintenant professeur à Stanford, a un intérêt de longue date à encourager les technologies pour aider la nation à faire la transition vers les énergies renouvelables.

"Alors que les matériaux et la conception précis ont encore besoin de développement, ce prototype démontre le type de science et d'ingénierie qui suggère de nouvelles façons d'obtenir des batteries à faible coût et durables," dit Chu, qui n'était pas membre du l'équipe de recherche.

Alimenter la grille

Selon les estimations du DOE, près de 70% de l'électricité des États-Unis est produite par des centrales au charbon ou au gaz naturel, ce qui représente 40 pour cent des émissions de dioxyde de carbone. Le passage à la production d'énergie éolienne et solaire est un moyen de réduire ces émissions. Mais cela crée de nouveaux défis impliquant la variabilité de l'alimentation électrique. De toute évidence, le soleil ne brille que le jour et, parfois, le vent ne souffle pas.

Mais une autre forme de variabilité, moins bien comprise mais néanmoins importante, vient des poussées de la demande sur le réseau - ce réseau de câbles à haute tension qui distribue l'électricité dans les régions et, finalement, dans les maisons. Par temps chaud, lorsque les gens rentrent du travail et montent la climatisation, les services publics doivent avoir des stratégies d'équilibrage pour répondre à la demande de pointe: un moyen d'augmenter la production d'énergie en quelques minutes pour éviter les baisses de tension. .

Aujourd'hui, les services publics y parviennent souvent en allumant des centrales électriques à la demande ou «dispatchables» qui peuvent rester inutilisées pendant une bonne partie de la journée, mais qui peuvent être mises en service en quelques minutes - produisant une énergie rapide mais augmentant les émissions de carbone. Certains services publics ont mis au point un équilibrage de charge à court terme qui ne repose pas sur des centrales à combustible fossile.

La stratégie la plus commune et la plus rentable est le stockage hydroélectrique par pompage: en utilisant l'énergie excédentaire pour envoyer de l'eau en montée, puis en la laissant redescendre pour générer de l'énergie pendant la demande de pointe. Cependant, le stockage hydroélectrique ne fonctionne que dans les régions où l'eau et l'espace sont suffisants. Afin de rendre le vent et l'énergie solaire plus utiles, le DOE a encouragé les batteries de grande capacité comme alternative.

Battre la concurrence

Cui dit qu'il existe plusieurs types de technologies de batteries rechargeables sur le marché, mais on ne sait pas quelles approches répondront aux exigences du DOE et prouveront leur utilité aux services publics, aux régulateurs et autres parties prenantes qui maintiennent le réseau électrique national.

Par exemple, Cui dit que les batteries rechargeables au lithium-ion, qui stockent les petites quantités d'énergie nécessaires pour faire fonctionner les téléphones et les ordinateurs portables, sont basées sur des matériaux rares et sont donc trop chères pour stocker l'énergie dans un quartier ou une ville. Selon M. Cui, le stockage à l'échelle de la grille nécessite une batterie rechargeable à faible coût et de grande capacité. Le processus manganèse-hydrogène semble prometteur.

"D'autres technologies de batteries rechargeables sont facilement plus de cinq fois de ce coût au cours de la vie", ajoute Cui.

Selon M. Chen, la chimie novatrice, les matériaux bon marché et la simplicité relative ont fait de la batterie au manganèse-hydrogène l'élément idéal pour un déploiement à l'échelle du réseau à faible coût.

Le prototype a besoin d'un travail de développement pour faire ses preuves. D'une part, il utilise le platine comme catalyseur pour stimuler les réactions chimiques cruciales à l'électrode qui rendent le processus de recharge efficace, et le coût de ce composant serait prohibitif pour un déploiement à grande échelle. Mais Chen dit que l'équipe travaille déjà sur des moyens moins coûteux d'amadouer le sulfate de manganèse et l'eau pour effectuer l'échange d'électrons réversible.

"Nous avons identifié des catalyseurs qui pourraient nous amener au-dessous de la cible du DOE de $ 100 par kilowattheure", dit-il.

Les chercheurs rapportent faire des recharges 10,000 des prototypes, soit deux fois les exigences du DOE, mais disent qu'il sera nécessaire de tester la batterie au manganèse-hydrogène dans les conditions réelles de stockage du réseau électrique afin d'évaluer véritablement sa performance et son coût.

Cui dit qu'il a cherché à breveter le processus par l'intermédiaire de l'Office of Technology Licensing de Stanford et prévoit de former une société pour commercialiser le système.

À propos des auteurs

Yi Cui, professeur de science des matériaux à l'Université de Stanford, est l'auteur principal du document. Les co-auteurs supplémentaires sont de l'Académie chinoise des sciences et de Stanford. Le ministère de l'Énergie a financé la recherche.

La source: L'Université de Stanford

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