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Qu'est-ce que c'est que les batteries à flux?


Les ingénieurs ont trouvé différentes façons de stocker l'énergie propre que nous créons dans les batteries. Alors que l'industrie des batteries d'énergie renouvelable en est encore à ses balbutiements, il existe certaines technologies de systèmes de stockage d'énergie populaires qui utilisent des combinaisons d'acide de plomb et de lithium-ion (Li-ion) haute puissance qui ont conduit le marché à l'adoption.
Cependant, les types de batterie susmentionnés présentent des lacunes. Ils ont tous deux une durée de vie relativement courte et il n'est pas recommandé de les décharger complètement avant de les recharger. Les geeks de la batterie se réfèrent à cette dernière caractéristique comme une "profondeur de décharge" peu profonde.

Les batteries Flow sont un nouveau venu sur le marché du stockage par batterie, ciblant les applications de stockage d'énergie à grande échelle. Cette technologie de stockage est en recherche et développement depuis des décennies, mais commence maintenant à être utilisée dans la pratique.

La technologie de batterie Flow se distingue par son design unique. Au lieu d'une seule cellule de batterie encastrée où l'électrolyte se mélange facilement aux conducteurs, le liquide est séparé en deux réservoirs et les électrons circulent à travers les cellules électrochimiques et une membrane les séparant.

Dans cet article, nous examinons de plus près leur fonctionnement, comparons les avantages des batteries électriques par rapport aux batteries lithium-ion à faible coût, discutons de certaines applications potentielles et fournissons une perspective de l'industrie pour leurs utilisations étendues.

Que sont les batteries à flux et comment fonctionnent-elles ?

La principale différence entre les batteries électriques et les autres types de batteries rechargeables est que la solution aqueuse d'électrolyte que l'on trouve couramment dans les autres batteries n'est pas stockée dans les cellules entourant l'électrode positive et l'électrode négative. Au lieu de cela, les matériaux actifs sont stockés dans des réservoirs externes et pompés vers une membrane de cellule d'écoulement et une pile d'alimentation. Plus les réservoirs de stockage sont grands, plus il est possible de générer de l'électricité.

Les sources d'énergie, telles qu'un réseau photovoltaïque ou des bancs d'éoliennes, chargent les électrons dans la solution d'électrolyte dans le réservoir d'anolyte positif connecté à l'anode par un processus appelé "oxydation".

Les électrons chargés sont ensuite poussés dans le réservoir de catholyte attaché à la cathode par un processus appelé "réduction". L'échange d'ions a lieu dans des demi-cellules qui renferment la membrane protectrice entre les réservoirs.

Lorsque la batterie est allumée, les électrons retournent dans le premier réservoir à l'aide d'une pompe à travers une membrane polymère microporeuse conductrice qui génère un courant électrique.

Le vanadium en plein essor comme électrolyte de choix pour les batteries à flux

Il existe plusieurs types de batteries à flux, du polysulfure redox, hybride à organique, ainsi qu'une longue liste de couplages de réaction électrochimique (y compris zinc-brome et fer-chrome), bien qu'aucun n'ait les niveaux de performance, d'efficacité ou de coût nécessaire pour une adoption à grande échelle - jusqu'à présent.

La plupart des batteries électriques disponibles dans le commerce utilisent un électrolyte liquide au vanadium, un matériau que l'on trouve principalement en Russie.

La particularité du vanadium, outre son origine russe, est sa capacité à agir comme une sorte de portemanteau énergétique électrochimique. Tout comme un portemanteau peut résister à des siècles de couches ajoutées et retirées de ses échelons, des électrons peuvent être ajoutés et retirés du vanadium apparemment pour toujours sans que le matériau ne se dégrade à travers des cycles de charge-décharge.

Le processus d'échange d'ions consistant à ajouter et à retirer des électrons d'un seul élément tel que le vanadium est très différent des réactions d'énergie chimique qui peuvent décomposer les matériaux dans d'autres types de cellules de batterie au fil du temps.

Lorsque le vanadium est utilisé comme ingrédient principal dans une batterie à flux, la durée de vie du système est considérablement améliorée par rapport aux batteries lithium-ion. Alors qu'une batterie d'alimentation peut théoriquement durer indéfiniment, la durée de vie pratique est plutôt de 30 ans, car les pompes et les réservoirs de stockage en graphite peuvent nécessiter une révision après cette période.

Certains réseaux de batteries électriques à l'échelle du réseau ont la taille d'entrepôts pouvant stocker des mégawattheures (mwh) d'électricité.

Dans l'image ci-dessus, par exemple, un service public britannique expérimente l'utilisation d'un banc de batteries de plusieurs mégawatts comme tampon entre son alimentation électrique et son infrastructure de distribution électrique. Invinity, le producteur de batteries à flux pour ce projet, espère que des installations à grande échelle comme celle-ci deviendront plus courantes dans les années à venir.

Applications futures des batteries à flux

Outils

Les deux électriciensLes opérateurs de réseau tels que les entreprises de services publics ont pris note de la promesse des batteries à flux de fournir une fiabilité durable et beaucoup plus d'heures d'utilisation quotidienne que d'autres options de stockage de batterie, telles que les batteries lithium-ion ou plomb-acide.

Les batteries Flow peuvent se décharger jusqu'à 10 heures à la fois, tandis que la plupart des autres types de batteries commerciales sont conçues pour se décharger pendant une ou deux heures à la fois.

Le rôle des batteries de puissance dans les applications utilitaires est généralement considéré comme un tampon entre l'énergie disponible du réseau et la demande d'électricité difficile à prévoir. En été, par exemple, beaucoup d'électricité peut être produite à partir de sources propres comme les panneaux solaires sur le toit certains jours, et surtout moins les jours nuageux. Lorsqu'il fait chaud dehors, la demande de climatisation est plus forte.

Parce qu'une batterie d'alimentation peut stocker et décharger une quantité fiable d'électricité pendant près d'une demi-journée, elle offre aux services publics un moyen d'éviter la surproduction et un moyen de soulager le stress d'une trop grande quantité d'énergie sur l'infrastructure du réseau.

Micro-réseaux

Les micro-réseaux sont des versions plus petites d'un réseau et peuvent fonctionner indépendamment du réseau à tout moment.

Les alimentations électriques des micro-réseaux peuvent provenir de sources renouvelables à petite échelle, telles que des collections de panneaux solaires dispersés dans un village et plusieurs éoliennes. Ils présentent plusieurs avantages importants, notamment :

  • Alimentation commune aux installations critiques, telles que les centres médicaux pendant les pannes de courant
  • Indépendance énergétique pour la communauté
  • Gestion environnementale grâce à l'utilisation d'énergie propre
  • Bien qu'ils aient été généralement considérés comme une sorte de rêve hippie-socialiste reflétant une existence communautaire idéalisée, ils gagnent en popularité et ont récemment été déployés dans davantage de régions.


Les batteries Flow pourraient bien s'intégrer dans l'architecture des micro-réseaux pour les mêmes raisons que les services publics souhaitent les utiliser. Ils durent longtemps et peuvent répondre aux besoins de la communauté lorsque l'électricité du réseau est chère ou que le micro-réseau est incapable de produire suffisamment d'énergie par lui-même.

Véhicules électriques (VE)

Étant donné que les batteries de puissance peuvent être « rechargées » rapidement en remplaçant le liquide électrolytique, elles ont beaucoup de sens pour l'avenir du carburant pour les véhicules électriques.

L'électrolyte utilisé pourrait en théorie être facilement vidangé et remplacé dans une station-service. Ce serait certainement une solution plus rapide que d'avoir à attendre jusqu'à 20 minutes pendant que votre véhicule électrique réinjecte lentement des électrons dans ses cellules lithium-ion.
Cependant, les batteries à courant de puissance ont une faible densité d'énergie. Cela signifie que l'autonomie serait très courte. Certains chercheurs en électrochimie étudient l'utilisation de sels à haute solubilité dans la solution d'électrolyte pour augmenter la portée, mais l'application de batteries de puissance dans les véhicules électriques semble être un vœu pieux pour l'instant.

Batteries Flow versus batteries lithium-ion

Il y a quelques différences clés à prendre en compte lors de la comparaison des batteries d'alimentation aux principales technologies de batterie telles que les batteries lithium-ion :

Sécurité

Les systèmes de batterie Flow sont raisonnablement sûrs car ils ne contiennent pas d'électrolytes inflammables.

Le liquide de vanadium le plus couramment utilisé dans les réservoirs, bien que rare et coûteux, est également respectueux de l'environnement. Étant donné que les réservoirs peuvent être placés plus loin de la membrane cellulaire conductrice et de la pile d'alimentation, ils sont encore plus sûrs.

Gagnant : Batteries Flow

Durée de vie

Si vous utilisez des batteries Li-ion tous les jours, vous pouvez vous attendre à ce qu'elles durent environ 8 ans, tandis que les batteries au vanadium durent jusqu'à 30 ans. Ceci est principalement dû au fait qu'aucune réaction chimique phase à phase n'est requise dans les batteries à flux.

Les électrons peuvent être ajoutés et retirés de l'électrolyte de vanadium sans que le matériau ne se décompose. Cela conduit à une durée de vie de la batterie hypothétiquement illimitée.

Gagnant : Batteries Flow

Empreinte

Comme mentionné précédemment, les systèmes de batteries électriques sont lourds et nécessitent des réservoirs de stockage d'électrolyte volumineux. Cette capacité de stockage prend beaucoup de place.

Les batteries lithium-ion sont plus légères et plus portables.

Gagnant : batteries lithium-ion

Coût

Étant donné que les batteries à flux ont des taux de charge et de décharge relativement faibles, leurs électrodes et séparateurs à membrane doivent avoir une surface assez importante. Cela entraîne des coûts plus élevés.

De plus, les batteries électriques nécessitent plus de pompes, de tuyauterie et d'entretien que les ions lithium.

Tenslotte batteries de puissance n'ont pas atteint la maturation industrielle du lithium ion. En conséquence, cette technologie ne permet pas d'obtenir des économies d'échelle qui apporteraient l'avantage de prix plus bas.


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