La Technologie Des Batteries À Flux De Fer Et Son Rôle Dans Le Stockage De L’Énergie

Last updated on août 22nd, 2022 at 11:17 pm

Le stockage de l’énergie est un sujet de discussion brûlant dans le secteur des services publics et de la production d’énergie alternative, car il est crucial pour soutenir les systèmes d’alimentation, de transmission et de distribution de l’électricité du réseau. Pour nos fournisseurs de services publics, nos régulateurs et nos opérateurs de réseau, cela signifie un moyen plus résilient et plus fiable d’alimenter le réseau pendant la période de pointe de la demande d’électricité, réduisant ainsi la pression sur les sources plus traditionnelles de production d’électricité comme les centrales électriques au charbon ou au gaz. 

Il en résulte des rendements plus élevés et une moindre dépendance à l’égard des sources d’énergie produisant des gaz à effet de serre. Les progrès réalisés dans le domaine des batteries font des réchauffeurs électriques des solutions efficaces pour la décarbonisation. On assiste à une transition vers l’abandon des gaz qui constituaient traditionnellement une option principale avant l’avènement des solutions de stockage de l’énergie. 

Applications des solutions de stockage de l’énergie

L’utilisation des systèmes de stockage de l’énergie se répartit en six catégories :

• Aider les sources d’énergie renouvelables à s’intégrer au réseau commercial. Étant donné que la capacité de production des sources d’énergie renouvelables comme l’éolien, le solaire et la biomasse peut fluctuer, la solution de stockage d’énergie durableassure un approvisionnement fiable du réseau.
• Elles peuvent améliorer l’efficacité du réseau grâce à leur densité énergétique plus élevée, augmentant ainsi le facteur de capacité des ressources existantes, ce qui permet d’« équilibrer » le réseau et de réduire la tendance à compenser le besoin d’énergie produite par des centrales électriques polluantes.
• Pendant la période de montée en puissance des centrales électriques au charbon, au gaz ou au mazout, les solutions de stockage de l’énergiepermettent de fournir efficacement de l’électricité.
• Elles peuvent réduire les coûts opérationnels de l’ensemble de l’infrastructure du réseau grâce à leur architecture modulaire et moins exigeante en maintenance.
• Elles peuvent stocker l’énergie lorsque les prix de l’électricité sont bas et la récupérer lorsque les prix augmentent, ce qui réduit le coût pour les utilisateurs finaux. 

Solutions de stockage par batteries à flux de fer

Les solutions de stockage à base de batteries à flux de fer ont récemment fait une percée historique pour contrer certains des inconvénients des solutions de batteries lithium-ion. Elles offrent une solution de stockage d’énergie sûre, ininflammable, non explosive, à haute densité de puissance et rentable.

En substance, les batteries à flux de fer sont des cellules électrochimiques où un électrolyte stocké dans des réservoirs externes agit comme source d’énergie. Les pompes d’écoulement transfèrent les électrolytes aux électrodes, extrayant les électrons et fournissant de l’énergie au réseau. À son tour, l’électrolyte usé est pompé dans les réservoirs de stockage jusqu’à ce que la source d’énergie principale, telle qu’une centrale solaire ou une éolienne, produise à nouveau de l’énergie. Dans ce cas, l’électrolyte usé est pompé vers l’électrode, ce qui permet de charger l’électrolyte et de le pomper vers le réservoir de stockage externe. 

L’électrolyte des batteries à flux de fer est constitué de sels de fer, des minéraux terrestres abondants sous forme ionisée qui stockent l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique. 

Aperçu de la réaction redox des piles à flux de fer

La réaction chimique redox dans toutes les batteries à flux de fer consiste en un couplage de FeCl2 et de FeCl3 à l’anode (électrode positive) et de FeCl2 et de fer métallique à la cathode (électrode négative). Pendant la phase de production ou de décharge de l’électricité, le FeCl3 à l’anode est réduit en FeCl2, et à la cathode (électrode négative) le fer métallique se dissout dans l’électrolyte sous forme de FeCl2. Le processus s’inverse lors de la phase de charge. 

Une membrane échangeuse d’ions sépare les deux solutions chimiques (FeCl2+FeCl3 et FeCl+ Fe). Les ions sont échangés à travers ces membranes tandis que les liquides circulent dans leurs propres compartiments respectifs. Il est important de noter que dans les batteries à flux de fer ou à flux redox, les deux compartiments sont remplis de couples redox solubles.

Comparaison entre la batterie à flux de fer et la batterie Li-Ion

Bien que les batteries Li-ion soient l’une des batteries les plus populaires pour le stockage de l’énergie, elles présentent des problèmes de toxicité élevée, aucun avantage de stockage d’énergie à long terme, une inflammabilité élevée et une durée de vie dépendant des cycles de charge-décharge. 

La batterie à flux de fer peut stocker de l’énergie jusqu’à 12 heures selon la technologie existante, avec des perspectives d’extension à 15 heures. Les batteries Li-ion ne peuvent pas stocker plus de 4 heures. Par rapport aux batteries Li-ion, elles ne sont pas inflammables, non toxiques et il n’y a pas de risque d’explosion. 

Les hydrates de lithium sont toxiques et réagissent violemment au contact de l’eau. Ils se corrodent également à l’air, tandis que le fer est non toxique et ne réagit que légèrement en présence d’eau et d’air. En théorie, les batteries à flux de fer ont une durée de vie illimitée, et leur renouvellement de charge ne se dégrade pas, même après plusieurs années de charge et de décharge. 

En revanche, la batterie Li-ion se limite à des cycles de 7 000 à 10 000 et à une utilisation de 7 à 10 ans, après quoi l’élimination environnementale de ces batteries devient un véritable défi. Les températures de fonctionnement des batteries à flux de fer vont de -10 ˚C à 50 ˚C sans qu’il soit nécessaire de ventiler les systèmes de refroidissement. La ventilation joue un rôle crucial pour les batteries Li-Ion. Surtout pour les systèmes à l’échelle commerciale et dont la température préférée de fonctionnement est de 24 ˚C à 26 ˚C après quoi leur capacité à tenir ou à stocker la charge est affectée négativement. 

Taille et évolutivité

L’un des avantages des batteries Li-ion est qu’elles sont conçues pour des applications mobiles comme les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et autres solutions de mobilité. Elles sont petites, compactes et mobiles, alors que les batteries à flux de fer ont un encombrement beaucoup plus important. Ainsi, les batteries à flux de fer sont adaptées au stockage commercial et industriel à grande échelle. 

Les batteries Li-ion ne sont pas spécifiquement développées pour des applications commerciales et de réseau. Cependant, elles offrent une disponibilité à grande échelle, une densité de puissance beaucoup plus élevée, le même coût d’investissement que les batteries à flux de fer, et l’efficacité de la fabrication a accéléré leur croissance. Elles représentent donc une forte concurrence pour les batteries à flux, en attendant que celles-ci rattrapent leur retard. 

Un autre aspect important est l’évolutivité des systèmes de batteries à flux de fer. Alors que l’équipement fixe comme l’électronique de puissance, le réservoir, le module de puissance et la structure de support reste le même, elles offrent un moyen plus facile d’augmenter la durée de stockage en ajoutant plus d’électrolytes. 

L’énergie étant stockée dans l’électrolyte, plus il y a d’électrolytes, plus le stockage est évolutif. L’électrolyte est essentiellement basé sur le fer, l’eau et le sel, tous des éléments abondants sur terre. Ainsi, la solution est plus respectueuse de l’environnement que la batterie Li-ion. Basée sur des métaux de terres rares, la Li-Ion émet 67 % de plus de gaz à effet de serre que la batterie à flux de fer et présente un risque environnemental lorsqu’elle arrive en fin de vie.