Une batterie à flux organique pour stocker les énergies renouvelables

Une équipe de scientifiques de l’Université de Harvard a démontré qu’un nouveau type de batterie pourrait transformer fondamentalement la manière dont l’électricité est stockée sur le réseau, ce qui rendrait les sources d’énergie renouvelable comme l’éolien ou le solaire beaucoup "plus économique" et "fiable".

L’étude fait état d’une batterie à flux métallique qui repose sur de petites molécules naturellement abondantes, bon marché, à base de carbone (organique) appelées quinones. Elles sont semblables à des molécules qui stockent l’énergie dans l’organisme des plantes et des animaux. La quinone a la propriété d’être à la fois soluble dans l’eau et en mesure de transporter les électrons. Cette nouvelle technologie de batterie a été décrite dans un papier publié dans Nature en date du 9 janvier.

Alán Aspuru-Guzik, professeur de chimie et de biologie chimique, a utilisé ses propres méthodes de dépistage moléculaire à haut débit pour analyser les propriétés de plus de 10.000 molécules de quinone dans le but de trouver les meilleures candidates pour la batterie.

[ De gauche à droite: Dr Suh Changwon, Professeur Roy G. Gordon, Brian Huskinson, Dr Suleyman Er, Dr Michael Marshak, M. Alan Aspuru-Guzik, Professeur Michael J. Aziz, Michael Gerhardt, et Lauren Hartle. (Photo Eliza Grinnell ]

Les batteries à flux stockent l’énergie dans les fluides chimiques enfermées dans des réservoirs externes – comme avec les piles à combustible – au lieu du réservoir de la batterie en lui-même.

Dans les batteries solides à électrode, comme celles que nous trouvons dans les voitures et les terminaux mobiles, les matériaux de conversion d’énergie ainsi que la capacité de stockage sont fondus ensemble dans une unité qui ne peut être découplée. Par conséquent, la batterie peut maintenir un pic de puissance électrique pendant moins d’une heure avant d’être totalement épuisée. Ce type de dispositif est donc mal adapté pour stocker les énergies renouvelables par nature intermittentes.

De manière générale, une batterie fonctionne sur le principe d’un échange de charges, sous forme d’ions, entre deux électrodes via un électrolyte généralement liquide. C’est le contact de l’électrolyte avec chacune des électrodes qui permettra l’échange d’ions et qui générera le courant électrique.

"Nos études indiquent qu’il faut un à deux jours de stockage d’énergie pour que l’énergie solaire et éolienne soit disponible à travers le réseau électrique", a expliqué Michael J. Aziz, chercheur principal.

Pour stocker 50 heures d’énergie à partir d’une turbine éolienne de 1 mégawatt de puissance, une des solutions possibles serait d’acheter des batteries capables de stocker 50 mégawatts-heure d’énergie. Pourquoi payer pour 50 mégawatts de capacité énergétique alors que seul 1 mégawatt est nécessaire ?

Selon les chercheurs, le décalage entre la disponibilité du vent intermittent ou du soleil avec la variabilité de la demande constitue le plus grand obstacle à l’obtention d’une grande partie de l’électricité produite à partir des sources renouvelables. Aussi, découvrir un moyen rentable de stocker de grandes quantités d’énergie électrique pourrait résoudre ce problème.

Les quinones se trouvent de façons abondantes dans les hydrocarbures ainsi que dans les plantes vertes. La molécule que l’équipe de Harvard a utilisé dans sa première batterie à flux à base de quinone est presque identique à celle trouvée dans la rhubarbe. Les quinones sont dissous dans l’eau, ce qui les empêche de prendre feu.

"Pour stocker l’énergie d’une éolienne commerciale, un grand réservoir de stockage serait nécessaire et situé dans un sous-sol de qualité", a déclaré le co-auteur Michael Marshak. "Ou, si vous avez tout un champ d’éoliennes ou de grandes fermes solaires, vous pouvez imaginer quelques très grands réservoirs de stockage."

Selon les données fournies dans Nature, les batteries conçue avec un électrolyte à base de quinones permettraient de stocker 1 kWh d’énergie pour un coût estimé à 27 dollars (19,7 euros), soit un tiers du prix actuel.

La même technologie pourrait également s’appliquer au niveau du consommateur a ajouté M. Marshak. "Imaginez un système de la taille d’une cuve de fioul domestique installée au sous-sol de votre maison. Il serait en mesure de stocker la quantité d’une journée de soleil à partir des panneaux solaires exposés sur le toit, soit potentiellement assez pour alimenter votre foyer en fin de journée, toute la nuit,  et jusqu’au petit matin, sans brûler une seule goutte de combustible fossile".