Stockage de l'énergie
L'électricité que nous consommons est généralement produite quelques instants avant d'être utilisée. La planification de la demande variable représente un véritable défi pour le secteur énergétique actuel. Avec des besoins énergétiques futurs liés notamment à la mobilité électrique et des énergies renouvelables provenant de sources dépendantes des conditions météorologiques telles que le vent, le soleil et les vagues, l'équilibre entre l'offre et la demande deviendra encore plus difficile à atteindre.
Des technologies de stockage d'énergie plus efficaces permettent d'intégrer de plus grandes quantités d'énergies renouvelables dans le système énergétique, contribuant ainsi à remplacer les combustibles fossiles. Il existe aujourd'hui de nombreuses technologies de stockage de l'énergie, parvenues à divers stades de développement.
Parmi les grandes catégories technologiques dans ce domaine, citons le stockage mécanique (comme le pompage-turbinage, le gaz comprimé), le stockage thermique (accumulateurs à eau, à solides ou à vapeur) et des solutions électrochimiques dont font partie les batteries, qui peuvent être associées à des technologies comme les supercondensateurs.
À noter :
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Stockage électrochimique de l'énergie (batteries et supercondensateurs)
Les inventions électrochimiques (les batteries par ex.) représentent 88 % de l'ensemble des dépôts de brevets dans le domaine du stockage d'électricité, dépassant de loin les solutions électriques (9 %), thermiques (5 %) et mécaniques (3 %). La croissance des marchés des véhicules électriques et du stockage stationnaire de l'électricité renforce l'importance des solutions électrochimiques pour l'avenir.
Selon le Scénario de développement durable présenté par l'Agence internationale de l'énergie (AIE) en 2020, près de 10 000 GWh de stockage par batterie et autres formes de stockage d'énergie seront nécessaires chaque année dans l'ensemble du système énergétique d'ici 2040, alors qu'environ 200 GWh seulement sont disponibles aujourd'hui.
Les activités brevet ont augmenté pour un large éventail d'inventions, dont les batteries au plomb-acide, à flux redox et à base de nickel. Cependant, l'innovation dans ce domaine a été portée par les batteries lithium-ion (Li-ion), qui représentent 45 % des dépôts de brevets, contre seulement 7,3 % pour les autres types de batteries, le reste concernant la fabrication et l'ingénierie.
Cathode en nickel-manganèse-cobalt
Si l'on employait traditionnellement du dioxyde de cobalt et de lithium, les obstacles liés au coût et à l'approvisionnement de ce matériau ont détourné l'attention vers des matériaux contenant du nickel et/ou du manganèse (ainsi que vers le lithium-fer-phosphate ou LFP).
Cathode en lithium-nickel-cobalt avec de l'aluminium ou du magnésium (NCA-Mg)
Batteries sodium-ion
Les batteries sodium-ion comptent parmi les technologies susceptibles de répondre aux exigences de performances élevées dans des domaines tels que l'électromobilité. Parmi les autres technologies en compétition, on trouve les batteries lithium-métal à l'état solide, lithium-soufre et même lithium-air. Par rapport aux batteries Li-ion plus conventionnelles, toutes ces technologies pourraient apporter des améliorations en termes de coût, de densité et de durée de vie, ainsi qu'une plus grande disponibilité. De plus, les batteries sodium-ion reposent sur des matériaux de base facilement disponibles et offrent ainsi une capacité potentiellement illimitée.
Supercondensateurs
Les supercondensateurs peuvent compléter les batteries lithium-ion en répondant à des besoins spécifiques. Les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés en quelques secondes. Cependant, contrairement aux batteries, ils ne peuvent pas stocker l'électricité en si grandes quantités. Leur capacité à fournir des pics de puissance les rend précieux lorsqu'ils sont associés à d'autres types de batteries de plus grande capacité, par exemple dans les voitures électriques.
Batteries solides inorganiques
Une grande partie des innovations majeures actuelles dans le domaine des électrolytes à l'état solide vise à trouver des alternatives aux électrolytes sous forme liquide ou de gel polymère actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion, qui présentent un risque d'inflammabilité. En plus d'une sécurité accrue, les électrolytes à l'état solide peuvent présenter une énergie spécifique élevée, associée à un haut degré de stabilité et de durabilité.
Batteries à flux redox
Pour certaines applications, les batteries à flux redox peuvent constituer une alternative aux batteries lithium-ion, plus sûre, plus durable et plus évolutive. Elles emploient des électrodes poreuses, dans lesquelles une membrane échangeuse d'ions sépare les matériaux actifs sous forme de solutions liquides positive et négative contenant des substances redox actives.
Les batteries à flux redox peuvent reposer sur différentes formulations chimiques, le vanadium étant le cation redox-actif le plus couramment utilisé. Leur évolutivité fait tout leur intérêt pour les applications stationnaires résidentielles et de grande envergure.
Circularité des batteries
La circularité des batteries désigne une approche systémique de la conception, de l'utilisation et de la gestion des batteries visant à préserver la valeur de leurs matériaux tout au long de plusieurs cycles de vie. Elle consiste à réduire au minimum les pertes de matériaux et à permettre leur récupération tout au long du cycle de vie complet des batteries, depuis leur conception initiale jusqu'à leur fin de vie, en passant par leur utilisation. Concrètement, cela implique de concevoir des batteries durables et faciles à démonter, de permettre leur réutilisation ou leur réaffectation dans des applications de seconde vie, et de garantir des processus de recyclage efficaces permettant de récupérer des matières de valeur pour les réintégrer dans la production.
Dans un contexte plus large, la circularité des batteries revêt une importance croissante pour garantir l'accès à des matières premières critiques qui, sans cela, seraient géographiquement concentrées et soumises à des risques d'approvisionnement. En réduisant la dépendance à l'égard de l'extraction primaire et en atténuant l'impact environnemental et social de l'exploitation minière, les approches circulaires renforcent la résilience de la chaîne d'approvisionnement tout en soutenant les objectifs des politiques climatiques et industrielles. Alors que la demande en batteries continue de croître rapidement, la circularité n'est donc pas seulement une stratégie de gestion des déchets, mais aussi un pilier essentiel des transitions énergétiques durables et sûres. Le processus de recyclage des objets en les transformant à nouveau en matières premières critiques est également appelé "exploitation minière urbaine".
- Prétraitement
Le prétraitement englobe toutes les étapes de manipulation entre la collecte et les principaux processus de recyclage. Il vise principalement à sécuriser les batteries, à les tester et à les mettre sous une forme adaptée à la réutilisation, à la réparation ou à un traitement ultérieur.
Décharge électrique contrôlée
La décharge contrôlée permet de vidanger en toute sécurité l'énergie électrique restante d'une batterie usagée, à l'aide par ex. de circuits ou de résistances dédiés. Elle évite les courts-circuits dangereux pouvant entraîner une surchauffe, des incendies et des dommages internes qui compliquent le recyclage ultérieur.
Isolation et immobilisation
L'isolation et l'immobilisation des batteries usagées permettent de les maintenir à l'écart les unes des autres et de tout objet conducteur susceptible de provoquer des courts-circuits. À cette fin, on utilise des éléments tels que des emballages non conducteurs, des capuchons de bornes et des matériaux de calage qui empêchent les batteries de bouger à l'intérieur des boîtes ou des conteneurs.
Manipulation à distance
La manipulation à distance consiste à utiliser des robots ou des outils à longue portée afin que les travailleurs n'aient pas à manipuler directement des batteries présentant un risque. Des opérations telles que la découpe, l'ouverture ou le déplacement d'appareils endommagés peuvent ainsi être effectuées tout en maintenant les personnes à une distance de sécurité en cas de chocs, d'incendies ou de dégagements de gaz.
Contrôles de sécurité
Les contrôles de prétraitement permettent de vérifier l'état des batteries ou des déchets de batteries avant leur traitement complet. Ces contrôles peuvent porter sur la tension résiduelle, la température, l'accumulation de gaz ou la composition de base. Les appareils et les matériaux peuvent ensuite être acheminés vers la chaîne de traitement appropriée et les éléments dangereux peuvent être identifiés à un stade précoce.
Caractérisation du type de batterie
Il est important de déterminer des aspects tels que la composition chimique, la taille, la forme et la conception interne de la batterie. Ces informations permettent d'assurer une manipulation en toute sécurité, le tri et le choix de la filière de recyclage ou de réutilisation la plus efficace.
Analyse de l'état
L'analyse de l'état d'une batterie usagée permet d'estimer sa durée de vie utile restante. Ces analyses combinent des mesures (de capacité et de résistance interne, par ex.) ainsi que, dans certains cas, l'historique d'utilisation, afin de déterminer si une batterie doit être réutilisée, réparée ou entièrement recyclée.
Solutions de stockage
Les solutions de stockage garantissent la sécurité des batteries pendant leur collecte et leur traitement. Parmi ces solutions, on trouve des conteneurs résistants au feu, le tri en fonction de la composition chimique et de l'état des batteries, ainsi que, parfois, des locaux climatisés ou surveillés afin de réduire les risques d'incendie.
Réutilisation
La réutilisation offre une "seconde vie" aux batteries usagées, au lieu de les recycler directement. Les anciens packs de batteries de véhicules électriques, par exemple, peuvent être réutilisés dans des systèmes de stockage d'énergie stationnaires, où des unités moins performantes restent utilisables.
Traçabilité
Les technologies de traçabilité comprennent les codes-barres, les étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID) et les passeports numériques des produits. Elles permettent de suivre une batterie depuis sa fabrication jusqu'à son recyclage. Cela permet de déterminer plus facilement ce que contient chaque batterie, d'où elle provient et comment elle doit être manipulée et traitée.
- Conditionnement
Le conditionnement désigne les étapes de traitement qui restaurent ou améliorent les composants des batteries afin qu'ils puissent être réutilisés au lieu d'être entièrement démantelés. L'accent est mis sur des activités telles que la réparation des cellules, le nettoyage des collecteurs et la régénération des matériaux actifs.
Réparation / remplacement des éléments
La réparation et le remplacement des éléments de batterie consistent à identifier les batteries défaillantes ou endommagées au sein d'un pack, puis à les réparer ou à les remplacer. Cela permet de prolonger la durée de vie des packs et des modules, repoussant ainsi la nécessité d'un recyclage énergivore.
Relithiation et réparation cristalline
La relithiation et la réparation cristalline visent à "soigner" les matériaux cathodiques usagés plutôt que de les dissoudre. En restaurant le lithium perdu et en réparant les structures cristallines endommagées, le matériau traité peut retrouver en grande partie ses propriétés d'origine.
Reconditionnement pour des applications stationnaires
Une fois contrôlées et conditionnées, les cellules peuvent être réassemblées en nouveaux packs destinés à des applications stationnaires, telles que le stockage domestique ou le stockage sur réseau. Comme ces applications sont moins exigeantes que les véhicules électriques, les cellules à capacité réduite peuvent rester utiles pendant de nombreuses années.
Conditionnement des collecteurs de courant
Les collecteurs de courant sont de fines feuilles de cuivre et d'aluminium qui transportent le courant électrique à l'intérieur de la batterie. Leur conditionnement consiste à éliminer les revêtements et les contaminants afin de réutiliser directement les métaux ou de les revendre.
Récupération du graphite
La récupération et la valorisation du graphite provenant des anodes de batterie peuvent être réalisées en éliminant les résidus de liant et d'électrolyte. L'objectif est d'obtenir un graphite suffisamment pur pour être réutilisé dans de nouvelles batteries.
- Tri et séparation
Le tri et la séparation visent à séparer les déchets mélangés des batteries en flux plus propres. Une meilleure séparation permet d'obtenir des matériaux récupérés de meilleure qualité et un traitement chimique en aval plus efficace.
Élimination du liant et de l'électrolyte
Il faut utiliser des produits chimiques pour dissoudre le liant polymère qui lie les poudres actives aux feuilles métalliques de la batterie. Ces produits chimiques peuvent également aider à éliminer l'électrolyte. Les poudres et les feuilles se séparent ensuite plus facilement, ce qui permet d'obtenir des flux de métaux et de matières actives plus propres.
Extraction au CO2 supercritique
Le dioxyde de carbone supercritique (état fluide du dioxyde de carbone où il se comporte à la fois comme un gaz et comme un liquide) peut pénétrer dans les matériaux des batteries et en extraire les solvants organiques ainsi que certains sels. Il facilite l'élimination contrôlée des matériaux électrolytiques de la batterie et permet de récupérer le solvant sans le brûler.
Démontage
Le démontage des packs et modules de batterie, souvent réalisé en dévissant des vis, en découpant des soudures et en débranchant des connecteurs, peut produire des flux plus propres, car les boîtiers, les barres omnibus et les cellules sont séparés. Cependant, le processus a tendance à être lent et difficile à automatiser.
Broyage mécanique
Le broyage est le terme général désignant le fait de réduire les batteries en morceaux plus petits par déchiquetage, usinage ou concassage. Ces opérations produisent des métaux, des plastiques et des poudres, mais les mélangent également, ce qui nécessite des étapes de séparation supplémentaires. Le broyage fin des batteries donne ce qu'on appelle souvent la "masse noire", un matériau granuleux sombre pouvant contenir du lithium, du cobalt, du nickel, du manganèse et du graphite. Ce matériau peut ensuite être transformé pour produire des métaux séparés.
- Transformation chimique
Ce concept englobe les procédés qui transforment les batteries usagées, leurs composants ou la "masse noire" en matières premières purifiées. Ces procédés permettent d'obtenir à partir de ces matières premières des sels métalliques, des alliages ou des poudres raffinées, tels que le lithium, le graphite, le nickel, le cobalt ou le manganèse, qui peuvent ensuite servir à la fabrication de nouvelles batteries ou à d'autres applications.
Hydrométallurgie
Les procédés hydrométallurgiques utilisent des produits chimiques liquides (souvent des acides avec des oxydants) pour dissoudre les métaux contenus dans les matériaux provenant des batteries broyées. Les métaux tels que le lithium, le cobalt, le nickel et le manganèse sont ensuite séparés et purifiés, généralement par précipitation et extraction par solvant.
Pyrométallurgie
La pyrométallurgie est un procédé dans lequel des déchets de batteries mixtes sont fondus à haute température avec des additifs qui favorisent la fusion et aident à séparer les métaux des impuretés, formant ainsi des alliages métalliques et des scories. Ce procédé est particulièrement adapté aux matières premières mixtes et ne nécessite qu'un prétraitement relativement simple. Cependant, il consomme beaucoup d'énergie et peut entraîner la perte de certains éléments dans les scories.
Extraction électrochimique
L'extraction électrochimique est un procédé qui permet de récupérer des métaux à partir de solutions en provoquant leur précipitation sur des électrodes. Cette méthode peut être utilisée pour extraire de manière sélective des métaux de valeur, réduisant ainsi le besoin d'une séparation chimique supplémentaire.
- Technologies complémentaires
Les technologies complémentaires sont des dispositifs, des mesures et des choix de conception qui rendent la collecte, le tri et le recyclage des batteries plus sûrs et plus efficaces. Ces technologies améliorent la conception des produits, des systèmes de sécurité et des contrôles des procédés.
Conception des batteries et des processus favorisant la circularité
L'objectif ici est d'intégrer dès le départ la réutilisation et le recyclage des matériaux. Une conception favorisant la circularité peut inclure la standardisation des formats des appareils, l'exclusion de colles difficiles à retirer, l'étiquetage clair des composés chimiques et la mise en œuvre de procédés facilitant le démontage.
Contrôle des émissions
De nombreuses batteries lithium-ion contiennent du fluor dans leurs électrolytes, qui peut former des acides hautement corrosifs, tels que l'acide fluorhydrique, lorsqu'ils sont chauffés ou en cas d'incendie. Le contrôle de ces acides et d'autres composants volatils passe par la ventilation, des systèmes d'épuration et l'utilisation de matériaux résistants permettant de les capter ou de les neutraliser en toute sécurité.
Atténuation des risques d'incendie et de dégagement de gaz
Des systèmes de détection précoce, de ventilation et d'extinction peuvent être utilisés pour faire face aux problèmes d'emballement thermique et de dégagement de gaz. L'objectif est d'empêcher qu'une seule batterie défectueuse ne provoque un incendie ou une explosion de plus grande ampleur, et de préserver la qualité de l'air.
Stockage mécanique de l'énergie
L'énergie électrique peut être convertie en diverses formes d'énergie mécanique, telles que l'énergie potentielle gravitationnelle et l'énergie cinétique. Elle peut également servir à comprimer un gaz comme l'air. Certaines de ces formes d'énergie se prêtent au stockage d'énergie à grande échelle et à long terme. Les systèmes à énergie mécanique étant souvent caractérisés par leur grande empreinte environnementale, leur viabilité peut dépendre de conditions géologiques favorables.
L'hydroélectricité par pompage (PSH)
Le système PSH est un type de stockage d'énergie gravitationnelle dans lequel l'eau d'un réservoir est pompée vers un réservoir situé à une altitude supérieure. Lorsque de l'électricité est demandée, par exemple pour équilibrer la charge, l'eau stockée est relâchée et traverse des turbines afin de produire de l'énergie électrique. Cela représente pratiquement 90 % du stockage actuel des réseaux électriques. Ce mode de stockage pourrait également être associé à d'autres technologies de production d'énergies renouvelables.
Stockage d'énergie par air liquide (LAES)
Le LAES est un type de stockage d'énergie cryogénique. Il consiste à stocker de l'air sous forme liquide à très basse température, mais à une pression proche de la pression atmosphérique. Pour générer de l'électricité, l'air liquide est chauffé jusqu'à la phase gazeuse, puis utilisé pour entraîner une turbine.
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Stockage d'énergie par air comprimé (CAES)
Les systèmes CAES stockent de l'air sous pression sous terre dans des cavités ou en surface dans des réservoirs. Certains systèmes CAES stockent également la chaleur produite par compression de l'air. Le CAES a fait l'objet de nombreuses discussions en tant qu'option potentielle de stockage d'énergie à l'échelle des réseaux, mais son déploiement à grande échelle se heurte à des obstacles importants, notamment des coûts élevés.
Stockage d'électricité par pompage thermique (PTES)
Ces systèmes utilisent une pompe à chaleur pour transformer l'électricité en chaleur. Celle-ci est ensuite stockée dans un milieu (eau, gravier ou sable, par exemple) contenu dans un réservoir isolé thermiquement. Un moteur thermique permet de retransformer la chaleur en électricité lorsque nécessaire.
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Stockage d'énergie par gravité à sec (GES)
Les systèmes GES utilisent un moteur électrique pour soulever une masse, telle qu'un bloc rocheux très lourd, afin qu'elle acquière de l'énergie potentielle. Cette énergie est ensuite libérée en abaissant la masse et en utilisant le moteur comme générateur d'électricité.
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Stockage d'énergie par volant d'inertie (FES)
Ces systèmes font tourner un rotor (volant d'inertie) à grande vitesse à l'aide d'un moteur, de sorte que l'énergie cinétique de rotation est stockée dans le système. Ensuite, lorsque nécessaire, de l'électricité est produite en réduisant la vitesse de rotation du volant d'inertie.
Stockage thermique d'énergie
Les systèmes de stockage thermique d'énergie (TES) l'emmagasinent sous forme de chaleur. L'énergie ainsi stockée peut être utilisée à court terme au quotidien ou à plus long terme, notamment dans le cadre d'un stockage saisonnier où la chaleur estivale est emmagasinée dans un milieu donné puis réutilisée pour chauffer des bâtiments en hiver. Les matériaux peuvent également être stockés à basse température à des fins de climatisation.
L'énergie peut également être absorbée ou relâchée lors de la transition de phases de l'eau ou d'un autre milieu (sel, polymère, etc.), dans une optique de stockage ou de libération de la chaleur latente.
Stockage thermochimique (réaction chimique, adsorption, absorption)
Le stockage thermochimique de la chaleur repose sur une réaction chimique exothermique/endothermique réversible impliquant des matériaux thermochimiques (TCM) tels que l'oxyde de potassium, l'hydroxyde de calcium ou le chlorure de nitrosyle. Selon les réactifs, cette technique peut offrir une capacité de stockage encore plus élevée que le stockage de chaleur latente. L'adsorption exothermique/endothermique de la vapeur d'eau par des zéolites, par exemple, peut constituer une méthode pratique de stockage de chaleur avec une durée de vie potentiellement illimitée.
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Stockage dans des liquides (eau chaude, sel fondu)
De par sa capacité calorifique relativement élevée, l'eau est un choix évident pour le stockage liquide de la chaleur. Cependant, le sel fondu peut être stocké à des températures pouvant atteindre 1 400 °C pour emmagasiner l'énergie. Cette technologie est appelée stockage d'énergie par sel fondu (MSES). Il peut ensuite être utilisé à la demande, par exemple pour la production de vapeur surchauffée, qui peut, à son tour, entraîner des turbines génératrices produisant de l'électricité. La Smart search suivante se concentre sur les milieux de stockage liquide de la chaleur utilisés pour stocker les énergies renouvelables.
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Stockage dans des solides (gravier, pierre, béton, métal)
Les roches chaudes, la pierre et le béton (éventuellement sous forme de lits granulaires compactés) peuvent constituer un moyen de stockage d'énergie peu coûteux mais de grande capacité, capable de résister à des températures élevées. Leur utilisation peut être optimisée à l'aide de pompes à chaleur, par exemple, pour stocker et extraire la chaleur. Les métaux (notamment les alliages) peuvent également offrir un moyen de stockage propice à un transfert rapide de la chaleur. La Smart search suivante se concentre sur les milieux de stockage de la chaleur utilisés pour stocker les énergies renouvelables.
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Stockage par chaleur latente (matériau à changement de phase)
Des sels, des polymères, des gels et des alliages peuvent constituer des matériaux à changement de phase. Proposant des points de fusion différents, ils permettent d'adapter la solution de stockage de la chaleur à la demande. Des technologies à base de glace sont également utilisées pour le refroidissement, souvent en combinaison avec des systèmes d'échange par pompe à chaleur. La Smart search suivante se concentre sur les matériaux à changement de phase utilisés en association avec les énergies renouvelables.
Centrales thermiques à vapeur avec accumulateurs de vapeur ou de chaleur
Les accumulateurs de vapeur employant une combinaison d'eau et de vapeur peuvent être utilisés à l'échelle industrielle. La vapeur entraînant les turbines peut également servir au stockage si elle est autorisée à se condenser partiellement afin d'offrir une certaine capacité de chaleur latente. Les centrales thermiques à vapeur peuvent également être associées à un dispositif de stockage local de la chaleur basé sur d'autres technologies. La Smart search suivante se concentre sur le stockage de la chaleur pour les centrales thermiques à vapeur utilisé en combinaison avec la production d'énergies renouvelables.
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Centrales thermiques solaires avec stockage de la chaleur
Les centrales thermiques solaires peuvent être dotées d'installations de stockage de la chaleur visant à compenser la variabilité de l'énergie solaire (et éolienne). Cela peut être réalisé en produisant et en accumulant de la vapeur, ou même par le stockage d'énergie thermique par sel fondu (MSES). L'électricité peut alors être produite en fonction de la demande.