Transition énergétique et mobilité électrique : les nouvelles technologies de batteries laissent espérer

Sans stockage fiable de l’électricité, la transition énergétique et le déploiement accéléré de la mobilité électrique sont impossibles. Or, les batteries conventionnelles sont associées à des impacts environnementaux élevés et manquent d’efficacité. De nouvelles innovations, portées notamment par les instituts Fraunhofer, pourraient changer la donne.

Les batteries, qu’elles soient primaires ou rechargeables, présentent un bilan écologique désastreux en raison de l’extraction des matières premières et de leur fabrication. Un argument qui fait le jeu des détracteurs de la mobilité électrique. En effet, selon la taille des véhicules et les études consultées, il peut falloir jusqu’à huit ans, voire plus, pour que leur bilan environnemental devienne positif. Pourtant, le manque de solutions de stockage efficaces et respectueuses de l’environnement pose également problème dans d’autres secteurs.

Selon Destatis, la part des énergies renouvelables dans la production d’électricité a déjà dépassé les 46 % en 2022, mais le manque de stockage se fait encore sentir dans de nombreuses régions. Ainsi, les jours de fort ensoleillement et de vent, les fournisseurs d’énergie doivent parfois payer cher pour trouver des acheteurs à l’étranger, comme en Autriche, qui dispose d’un nombre relativement élevé de centrales de pompage-turbinage. L’Allemagne en manque cruellement, tout comme de lignes à haute tension suffisantes, ce qui fait que l’électricité solaire ou éolienne se perd souvent littéralement sans être exploitée.

Le sel de table ordinaire, porteur d’espoir

Une batterie au sel pourrait bien être la sortie de ce dilemme, comme celle qui est actuellement en cours de développement en Saxe. L’Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques (IKTS) a en effet mis au point, en collaboration avec le fabricant de batteries australien Altech, un accumulateur dont le composant principal est le chlorure de sodium, ou sel de table dans le langage courant.

À Schwarze Pumpe, en Saxe, ce site qui se transforme d’ancienne grande fabrique de briquettes en véritable Mecque de la production d’énergie propre, et où un conteneur géothermique mobile a notamment été développé avec l’aide d’Actemium BEA, la filiale d’Axians, les préparatifs pour une installation de 100 mégawatts convertissant le sel de table en énergie sont déjà bien avancés.

« Le chlorure de sodium est le composant principal du matériau actif. Il est complété par du nickel, qui est toutefois intégralement recyclé. Notre batterie repose donc sur des matériaux facilement disponibles en Europe », explique Alexander Michaelis, directeur de l’IKTS Fraunhofer et co-développeur de cette nouvelle batterie.

Une installation pilote est déjà opérationnelle à Dresde. La batterie au chlorure de sodium devrait non seulement être moins chère que les accumulateurs lithium-ion, mais elle présente également l’avantage de ne pas être inflammable et d’offrir une durée de vie plus longue. De plus, cette technologie se passe de terres rares

et ces nouveaux accumulateurs fonctionnent également de manière relativement indépendante des conditions météorologiques, dans une plage de températures allant de moins 10 à plus 40 degrés. Leur inconvénient majeur reste toutefois leur taille et leur poids, qui les rendent inadaptés à la propulsion des véhicules électriques. Alexander Michaelis envisage donc leur utilisation principalement dans le secteur stationnaire, où la demande reste encore forte.

Hoffnungsträger Doppelspeicher mit H 2 -Électrolyse

Un autre institut Fraunhofer, à savoir l’institut pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM), développe actuellement une autre nouvelle technologie de stockage, appelée double stockage, dans le cadre d’un consortium nommé Zn2-H2. Cette technologie donne espoir de contribuer à la transition énergétique. Il s’agit d’un stockage capable à la fois d’accumuler de l’électricité et de fournir de l’hydrogène.

Ce système de stockage à long terme est basé sur une batterie zinc-air et convient également en tant que double stockage pour l’électrolyse alcaline de l’eau, permettant ainsi de décomposer l’eau naturelle en ses composants, à savoir l’eau et l’oxygène. Selon l’explication de l’institut Fraunhofer IZM, la batterie zinc-air présente par rapport aux accumulateurs lithium-ion certains avantages, car les matières premières nécessaires comme l’acier, le zinc ou l’hydroxyde de potassium sont facilement disponibles et recyclables, ce qui devrait rendre l’accumulateur jusqu’à dix fois moins cher que les accumulateurs lithium-ion.

Le coordinateur du projet, Peter Hahn, explique le procédé ainsi : « Pendant la charge, l’eau dans la batterie s’oxyde en oxygène, tout en réduisant simultanément l’oxyde de zinc en zinc métallique. » Et finalement, le zinc est à nouveau transformé en oxyde de zinc afin d’être réintroduit dans le cycle. L’hydrogène est produit par électrolyse à partir de l’eau, ce qui convient parfaitement pour alimenter des usines ou de grands navires et pour combler les périodes de faible production éolienne ou solaire. Ces dernières désignent les moments où peu ou pas de vent ni de soleil est disponible, c’est-à-dire normalement lorsque les centrales conventionnelles doivent intervenir.

Selon l’institut Fraunhofer IZM, cette nouvelle technologie est très prometteuse avec un rendement du double stockage de 50 % et un rendement de 80 % pour la production d’hydrogène, ainsi qu’une durée de vie de dix ans. Cette dernière a été au moins prouvée en laboratoire. En effet, les cellules ont apparemment supporté sans difficulté 4 000 cycles de charge et de décharge. L’institut a annoncé qu’un démonstrateur serait bientôt construit, ce qui signifie qu’on peut s’attendre à un prototype dès la fin de l’année. Le projet devrait se poursuivre jusqu’à la fin du mois de septembre 2025.

Porteur d’espoir : batteries Li-Ion plus efficaces

Il existe également des développements dans les accumulateurs lithium-ion. Ainsi, des ingénieurs de l’université Rice à Houston, Texas, ont réussi à prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion de jusqu’à 44 % grâce à un spray de particules, en optimisant ce qu’on appelle la pré-lithiation.

Il s’agit d’un procédé visant à compenser les pertes irréversibles de lithium lors des premiers cycles de charge et de décharge, en ajoutant du lithium supplémentaire dans la cellule grâce à ce spray de particules.

Sibani Lisa Biswal, professeure de chimie et d’ingénierie nanométrique ainsi que de recherche sur les matériaux à l’université Rice, a découvert comment augmenter la capacité de la batterie de 22 à 44 % et améliorer en même temps le rendement des accumulateurs lithium-ion en pulvérisant les anodes. Le problème est cependant que les accumulateurs lithium-ion n’apprécient pas d’être chargés à 100 %, car les particules peuvent s’estomper plus rapidement lors des cycles suivants.

Si on remplaçait le graphite utilisé jusqu’à présent par du silicium dans les accumulateurs lithium-ion, on pourrait également améliorer l’efficacité des batteries. Cependant, le silicium présente aussi « ses difficultés ». En effet, à des températures froides, l’électrolyte avec les solvants carbonates peut geler et perdre la capacité de fournir suffisamment d’ions lithium à l’anode. Si ce problème pouvait être surmonté, l’utilisation du silicium plutôt que du graphite pourrait améliorer la durabilité et la fiabilité des batteries, ou mieux dit, des accumulateurs.

Ces développements, tels que ceux menés principalement par les instituts Fraunhofer, constituent finalement des éléments importants pour créer la transition énergétique, sans ignorer les autres parties du monde où l’homme et la nature souffrent souvent à cause de l’extraction sale des matières premières. Finalement, ces nouvelles technologies donnent également espoir à l’Allemagne et à l’Europe de se libérer progressivement de leur dépendance croissante envers la Chine et d’autres pays riches en matières premières et en matériaux.

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