LES BATTERIES À FLUX ET LEUR RÔLE DANS LA PRODUCTION DE CHALEUR

La glace, le verre et le fer révolutionnent la façon dont les scientifiques envisagent le problème de longue date du stockage de l’énergie. C’est l’histoire des batteries à flux, qui viennent d’apparaître comme une solution de stockage d’énergie autonome de premier plan. 

Pendant longtemps, le manque de fiabilité de l’alimentation en énergie des sources d’énergie renouvelables comme le solaire et l’éolien a été un problème. Ce manque de fiabilité nous obligeait à recourir à des centrales électriques fonctionnant au charbon ou au gaz pour répondre à nos besoins énergétiques. 

L’une des solutions explorées pour faire face à l’intermittence de l’alimentation électrique consiste à disposer d’un moyen de stockage de l’énergie lié aux sources d’énergie renouvelables. Ce moyen permet de stocker l’énergie pendant les périodes de production de pointe et de la décharger lorsque l’offre est inférieure à la demande. Les solutions de batteries plus traditionnelles, notamment les batteries Li-ion, se sont avérées coûteuses, dangereuses, inflammables et entravées par les problèmes de dégradation du stockage une fois que le cycle de charge et de décharge commence à augmenter. 

Les batteries à flux résolvent les problèmes associés aux moyens de stockage d’énergie traditionnels. Nouvelle technologie, les batteries à flux utilisent des électrolytes qui sont stockés séparément dans des réservoirs. Ils sont pompés via une cellule électrolytique où les compartiments sont séparés par une membrane qui ne permet que l’échange d’ions. La batterie à flux est également appelée batterie Redox car elle englobe la réduction/oxydation des deux côtés de la membrane. Contrairement aux batteries traditionnelles, comme les accumulateurs au plomb, où la matière électroactive est stockée dans les électrodes, les batteries à flux stockent l’énergie dans l’électrolyte lui-même. 

Différents types de batteries à flux

Il existe de nombreux types de batteries à flux, dont la densité énergétique et le coût varient, le principal facteur de différenciation étant l’électrolyte lui-même. On compte environ 10 à 12 compositions chimiques différentes pour les applications industrielles jugées applicables. 

Toutes les batteries à flux fonctionnent de la même manière. L’électrolyte négatif (catholyte) et l’électrolyte positif (anolyte) sont stockés dans un réservoir séparé. Ils sont pompés vers les électrodes pour échanger des ions à travers la membrane échangeuse d’ions. La puissance produite est fonction de la surface de l’électrode, tandis que le stockage de l’énergie dépend du volume des électrolytes. Les batteries à flux sont généralement constituées des produits chimiques suivants : 

  • Solution de chlorure de fer(II)
  • Brome-polysulfure
  • Vanadium-vanadium
  • Vanadium-brome
  • Zinc-brome
  • Zinc-cérium. 

Comme les autres batteries, vous pouvez empiler les batteries à flux en série pour obtenir le potentiel de tension requis. 

Un autre avènement récent est celui des batteries à flux hybride. Un matériau électroactif est déposé sur l’électrode pendant le cycle de charge et se dissout à nouveau dans l’électrolyte pendant le cycle de décharge. 

Cas d’utilisation des batteries à flux

Les batteries à flux sont configurées en fonction de la puissance requise et de l’application. Les applications liées au stockage d’énergie pour les services publics nécessitent des millions de gallons de stockage d’électrolyte reliés par des tuyaux aux modules empilés avec des réservoirs construits sur place. Les applications commerciales ont besoin d’une solution modulaire emballée qui peut s’intégrer dans un local technique typique pour un système commercial derrière le compteur ou d’un ensemble conteneurisé pour une application de 1 MW à 10 MW. 

L’un des inconvénients des batteries de flux par rapport aux batteries Li-ion, qui nécessitent moins d’entretien, est que les piles, les pompes, les joints et les instruments de contrôle nécessitent un entretien régulier et préventif. Cela a pour effet d’augmenter les coûts de maintenance et les dépenses opérationnelles de ces batteries à flux. Cependant, un programme d’entretien préventif rigoureux permet de maintenir ces coûts de maintenance opérationnelle à un niveau faible. Examinons certains des cas d’utilisation des batteries à flux où leur valeur a été prouvée par rapport aux batteries Li-Ion.

Production de chaleur

La production de chaleur à l’aide des thermoplongeurs est l’une des applications importantes des batteries à flux. Les batteries au lithium-ion, conçues pour une décharge profonde, subissent une dégradation plus importante avec l’augmentation des cycles de charge et de décharge. La charge maximale disponible est inférieure à 6 heures. 

Les dispositifs de chauffage, qu’il s’agisse de centrales électriques ou d’installations pétrochimiques, nécessitent des sources d’énergie fiables pour alimenter les thermoplongeurs. Traditionnellement, cette énergie provient du réseau ou de générateurs à essence ou au diesel, qui contribuent aux émissions de gaz à effet de serre. Cependant, ces dernières années, toutes les entités et entreprises tentent d’intégrer des facteurs ESG dans leurs objectifs. Les batteries à flux sont apparues comme une solution de choix pour fournir de l’énergie aux applications de production de chaleur. Ces batteries sont transposées à l’échelle commerciale sous forme d’ensembles empilés afin de fournir le courant élevé généralement requis pour la production de chaleur. 

La sécurité est un avantage majeur des batteries à flux. Elles n’utilisent pas de produits chimiques inflammables, toxiques ou explosifs, en particulier dans le cas des batteries à flux de fer. Elles peuvent être transposées à plus grande échelle pour un stockage d’énergie plus important grâce aux électrolytes chimiques stockés à l’extérieur dans les réservoirs. Le module de contrôle de la puissance et les caractéristiques des cellules, comme la surface des électrodes, n’ont pas besoin d’être changés ou modifiés pour augmenter la capacité. Elle restera la même si la tension requise est la même. Cela présente un avantage important pour la production de chaleur qui pourrait nécessiter une extension des friches industrielles à l’avenir. La plupart du temps, un système à sécurité intrinsèque est nécessaire.  

Arbitrage

Les batteries à flux trouvent une application classique sur le marché de l’électricité lorsque les pics de demande pèsent lourdement sur la structure d’approvisionnement du réseau existant. Cette situation, associée à des facteurs environnementaux, entraîne une hausse des coûts de l’énergie. Les batteries à flux peuvent facilement contribuer à l’équilibrage de la charge, soulageant ainsi la capacité de production d’énergie existante. 

Derrière le compteur

L’une des applications à l’échelle commerciale des batteries de flux modulaires conteneurisées est celle des applications derrière le compteur. 

  • Hôpitaux
  • Campus résidentiels
  • Équipement de production

Elles peuvent réduire considérablement les coûts pendant les périodes de demande de pointe, lorsque les tarifs unitaires par kWh d’électricité sont élevés. En cas de coupure volontaire ou involontaire de l’électricité par les fournisseurs du réseau national, ces batteries de flux peuvent fournir l’énergie dont on a tant besoin. 

Conclusion

Les batteries Li-ion dominent actuellement le marché du stockage de l’énergie. Mais en raison de la brièveté du stockage de la charge, les clients, notamment les fournisseurs d’énergie renouvelable, s’intéressent aux systèmes de stockage d’énergie à long terme. Les coûts des batteries à flux et des batteries Li-ion diminuent en raison des économies réalisées et des gains d’efficacité associés à la production. Avec la technologie actuelle des batteries Li-ion, le coût ($/kWh) est constant au-delà de 4 heures, car il faut ajouter des batteries supplémentaires. Mais avec les batteries à flux, lorsque le stockage dépasse 6 à 8 heures, le coût unitaire diminue. Ce qui en fait un produit idéal pour le stockage d’énergie à long terme.