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Mobilité électrique | 10 juin 2021

Stockage d’électricité : les différentes méthodes

5 min
La question du stockage de l’électricité est un enjeu important à l’heure des nouvelles mobilités et du développement des énergies renouvelables. Si aujourd’hui les batteries au lithium représentent l’une des principales solutions de stockage énergétique, de nouvelles méthodes sont à l’étude, que ce soit pour faciliter la production d’électricité ou pour aider l’utilisateur final (le conducteur d’une voiture électrique par exemple) à optimiser ses usages.
par Renault Group

Stockage d’électricité : la batterie lithium-ion et ses alternatives

Commercialisés depuis le début des années 1990, les accumulateurs lithium-ion ont pris une place prépondérante sur le marché des batteries ces dernières décennies. Cette technologie concentre de nombreux avantages qui expliquent son essor aussi bien pour alimenter les téléphones portables que les voitures électriques. Ces batteries lithium-ion, en particulier leur densité d’énergie pour l’autonomie, permettent de satisfaire les exigences de l’industrie automobile.

Les batteries de traction d’un véhicule électrique doivent répondre à un cahier des charges très strict : coût, plage de température utile, durabilité, capacité à recharger rapidement, etc. Certains de ces critères sont difficiles à concilier, la densité d’énergie et la puissance en particulier. Les équipes de recherche et développement produisent donc des efforts continus pour optimiser le rapport autonomie/puissance et améliorer l’ensemble des propriétés des batteries lithium-ion. Mobilité durable oblige, cette optimisation va de pair avec la recherche de procédés réduisant l’impact des batteries sur l’environnement, notamment pour en faciliter le recyclage.

Des batteries « solides » pour plus d’efficacité ?

Le domaine des batteries évolue vers de nouvelles technologies qui visent notamment à se substituer au processus classique d’électrolyte liquide utilisé dans les batteries conventionnelles. Ainsi, les industriels réfléchissent à des batteries dites « tout solide » qui offrent une simplification des matériaux utilisés, une meilleure gestion de la température d’usage, et la possibilité d’accroître la densité énergétique des cellules. C’est notamment la piste explorée par les spécialistes du « lithium-métal » dans laquelle une surface solide en lithium fait office de pôle négatif au sein de la batterie.

On parle également de batteries hybrides, avec différents solides, ou de batteries semi-solides comme alternative prochaine aux modèles classiques. Mais toutes ces hypothèses restent encore lointaines : leur commercialisation dans le domaine des véhicules électriques ne devrait pas intervenir avant des années, voire des décennies.

L’alliance Renault-Nissan-Mitsubishi a ainsi investi dans la start-up américaine Ionic Materials, spécialisée dans la batterie dite « solide ». L’électrolyte liquide actuellement utilisé dans les batteries y est remplacé par un matériau solide, comme un polymère par exemple. La technologie, prometteuse, attend encore de nombreuses avancées pour apparaître comme une alternative aux batteries actuelles, notamment pour les véhicules électriques !

Les autres pistes de stockage électrochimique

Les batteries à flux circulant (ou « redox flow battery ») exploitent deux réservoirs contenant les réactifs et une membrane conductrice ionique. Leur avantage est de découpler la partie « énergie » de la partie « puissance ». Mais les densités d’énergie sont trop faibles pour une application automobile. On trouve en revanche des applications de cette technologie dans le stockage stationnaire.

Autre option : le sodium. Cet élément qui appartient à la même famille que le lithium – celle des alcalins – peut être « substitué » à ce dernier pour obtenir des batteries dites « sodium-ion ». Le sodium est un élément plus abondant que le lithium, et ses caractéristiques se prêtent à des performances en puissance plus importantes. Cette technologie est encore en maturation : si le sodium se retrouve dans le domaine du stockage stationnaire (à haute température), son application à large échelle dans nos batteries de véhicules est pour l’heure explorée par quelques start-up cherchant à industrialiser le processus.

La composition des différents éléments d’une batterie est amenée à évoluer selon la piste étudiée. Ainsi, la technologie métal-air consiste à utiliser une électrode métallique qui va se dissoudre et se reformer pendant les cycles de décharge/charge, avec en vis-à-vis une électrode qui va capter l’oxygène de l’air pour le faire intervenir dans la réaction, comme pour une pile à combustible. Le lithium et le zinc peuvent être par exemple employés comme électrodes. Dans certains cas, la recharge ne se fait pas électriquement mais mécaniquement, comme avec l’aluminium qui nécessite d’insérer des « cartouches » de ce métal. Mais la maturité de cette solution est encore faible en regard des importantes exigences de l’usage automobile.

Enfin, les propriétés chimiques des métaux peuvent représenter une voie d’étude en vue d’une nouvelle technologie. Par exemple, dans une batterie lithium-ion, la production de courant est entraînée, entre autres choses, par le transport des ions lithium. Chaque ion lithium transporte une charge. Si un élément chimique était capable de fournir le double de cette charge, la capacité de la batterie s’en trouverait augmentée. C’est théoriquement le cas de métaux tels que le calcium ou le magnésium qui ont cette propriété (on les nomme « divalents » pour cette raison). Ce concept correspondant à des recherches principalement au niveau des laboratoires universitaires, d’importants progrès restent nécessaires pour assurer la pérennité d’autres composants de la cellule.

Des stockages mécaniques performants

Le stockage d’énergie sous forme d’électricité n’est pas la seule possibilité offerte dans ce domaine. L’énergie mécanique a aussi un rôle à jouer comme le prouve l’utilisation du pompage-turbinage. Dans ce processus, c’est l’action d’une turbine entraînée par la montée et la descente de l’eau dans un bassin qui va servir à stocker puis à libérer de l’énergie, sur le même principe qu’un barrage hydroélectrique. L’électricité ainsi produite est capable de comprimer de l’air dans d’immenses cavités, et l’énergie est stockée sous cette forme jusqu’à être « libérée » par décompression et action d’une turbine.

De nos jours, on parle même de batterie en « béton » : des blocs de béton suspendus libèrent de l’énergie en étant « descendus » subitement. Autant d’exemples des possibilités nombreuses du stockage mécanique qui reste une infrastructure de stockage stationnaire avant toute chose.

Des batteries pour des villes autosuffisantes

Après quelques années et de nombreux cycles de recharge, les capacités d’une batterie de voiture électrique diminuent. Les constructeurs comme Renault les réutilisent alors afin que ces batteries servent au stockage stationnaire de l’électricité. Une technologie qui permet d’alimenter un bâtiment, un quartier, durant les phases de rupture de charge, et d’utiliser de manière optimisée l’énergie décarbonée fournie par les centrales solaires et les éoliennes.

L’enjeu est d’importance tant la transition écologique passe à la fois par une adaptation de la production, qui peut s’effectuer directement en ville grâce aux panneaux photovoltaïques, et par l’optimisation du réseau, à petite ou à grande échelle, pour rendre de plus en plus de zones autosuffisantes en énergie. Un plus pour la sécurité et la continuité de l’alimentation électrique !

Autre piste envisagée : le vehicle-to-grid (V2G), expérimenté par Mobilize aux Pays-Bas, qui consiste à réinjecter l’électricité bas-carbone d’une voiture électrique directement dans le réseau. La batterie d’une Renault ZOÉ, lorsque branchée sur borne, sert ainsi au stockage d’énergie. Cette technologie innovante va de pair avec la mise en place de la recharge intelligente au sein même des véhicules. Preuve qu’en plus de réfléchir aux solutions alternatives, les industriels optimisent les usages actuels pour aboutir à une production et une distribution d’électricité moins émettrices.

 

Copyrights : malp (Adobe Stock), Renault Communication

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