Quel est le rôle du stockage par batterie dans la transition énergétique ?

Quelles sont les possibilités des différents matériaux de batterie ? Et quelles sont les tendances émergentes ? Momo Safari et An Hardy (EnergyVille/UHasselt) donnent un aperçu de l'état actuel des technologies de batterie.

Système électrique et transition énergétique :de nouveaux enjeux

Ils veulent que l'électricité soit disponible à tout moment grâce à des prises de courant. En d'autres termes, les gens veulent une alimentation électrique fiable. Un équilibre prudent entre la production des centrales électriques et la consommation des consommateurs est essentiel pour assurer la qualité et la fiabilité d'un système énergétique. Un tel équilibre est remis en cause par le caractère turbulent et incertain de la demande d'électricité. La consommation électrique peut varier considérablement au cours d'une journée et tout au long de l'année. Par exemple, la consommation concentrée le matin et le soir (en début et en fin de journée de travail, c'est-à-dire aux heures de pointe) contraste fortement avec la demande relativement faible entre ces heures.

La transition énergétique pose des défis supplémentaires pour assurer l'équilibre du système électrique. La pénétration importante de l'électricité éolienne et solaire renouvelable dans le mix énergétique, ainsi que l'électrification croissante due à l'utilisation accrue des systèmes TIC, des véhicules électriques et des pompes à chaleur, changent la donne. Le déséquilibre potentiel du système peut augmenter à la fois dans le temps et en intensité en raison de la nature intermittente de la production et de la consommation électrique supplémentaire.

Afin de pouvoir discuter de la fiabilité et de la qualité des systèmes énergétiques pendant et après la transition énergétique, une analyse technico-économique approfondie est nécessaire, qui dépend bien sûr de nombreux facteurs. Par exemple, différents scénarios peuvent être explorés en fonction de la part du centralisé vs. production distribuée d'énergie éolienne et solaire, mais cela sortirait du champ d'application de ce texte. Ce qui suit est particulièrement pertinent pour la situation simple où le réseau électrique existant est complété par de l'énergie provenant de panneaux solaires sur des bâtiments résidentiels.

Le rôle du stockage sur batterie

L'écart significatif typique entre la production PV et la demande d'électricité dans un bâtiment résidentiel est illustré schématiquement ci-dessus. Le surplus de production du panneau PV (zone verte ombrée) pourrait être injecté dans le réseau en échange d'une incitation financière. Mais qu'advient-il de ce surplus d'énergie si le réseau refuse de l'accepter, par exemple en raison d'une capacité insuffisante du réseau ? Faut-il alors réduire cette énergie verte (réduire † Bien sûr que non.

Batteries (Systèmes de stockage d'énergie par batterie ou BESS) sont de bons candidats pour augmenter la flexibilité d'un système énergétique en utilisant la capacité disponible du réseau de manière plus efficace. Ils conservent le surplus de production PV pour une autoconsommation ultérieure pendant les heures de pointe ou pour une injection dans le réseau lorsque cela est possible. Les BESS sont basés sur une cellule électrochimique rechargeable (EC) qui peut stocker et libérer de l'électricité pendant la charge et la décharge. De nombreuses technologies EC différentes sont disponibles, à différents niveaux de maturité technologique et chacune avec une combinaison unique de matériaux pour les principaux composants de la cellule, à savoir l'anode, la cathode et l'électrolyte. Les performances de stockage d'énergie de toute technologie EC sont généralement déterminées par la nature chimique des composants de la cellule et sont évaluées par les paramètres clés suivants :

1. Énergie spécifique par unité de poids (Wh/kg) et de volume (Wh/l) : La capacité minimale de stockage en Wh (wattheures) pour éviter l'effacement est égale à la totalité du surplus de production (zone grisée en vert, Fig. 1). La zone sous la production (ligne verte, Fig. 1) et au-dessus de la consommation (ligne rouge, Fig. 1) forme un graphique puissance-temps qui est de 4 kWh pour l'exemple de la Fig. 1. Cet espace de stockage pourrait actuellement être proposé par une technologie plomb acide (100 kg, 70 l), redox flow (200 kg, 250 l) ou lithium-ion (35 kg, 38 l) EC. En d'autres termes, les technologies lithium-ion constituent les systèmes BESS les plus légers et les plus petits en raison de leurs énergies spécifiques élevées. Alors que les restrictions de taille et de poids sont moins strictes avec le stockage résidentiel qu'avec les véhicules électriques, les unités BESS plus petites sont l'option préférée dans les zones résidentielles pour des raisons évidentes telles qu'un placement plus facile.
2. Puissance spécifique (W/kg ou W/l) : Les cellules électrochimiques doivent respecter une fenêtre de tension spécifique pendant la décharge et la charge définie par des tensions de déclenchement basses et hautes. L'activité des cellules en dehors de cette zone est connue sous le nom de décharge ou de charge excessive et peut entraîner un vieillissement accéléré et des risques pour la sécurité. La tension de la cellule doit être contrôlée en permanence par le système de gestion de la batterie (BMS), car le drainage et l'injection d'énergie dans la cellule coïncident avec une chute et une augmentation continues de la tension. La vitesse d'un tel changement de tension est liée à la puissance. En d'autres termes, une cellule soumise à un drain ou à une injection d'énergie plus élevée atteindra plus tôt la tension d'arrêt. Ainsi, une cellule peut refuser de se charger ou de se décharger, même si elle dispose d'un espace de stockage suffisant ou d'une énergie suffisante. Ainsi, en plus d'avoir suffisamment d'espace pour les excédents de production, les systèmes BESS doivent également être compatibles à la fois avec la puissance de production PV (ligne verte, Fig.1) et la charge résidentielle (ligne rouge, Fig.1). Une analyse minutieuse du profil de charge et d'excitation ainsi que du comportement intrinsèque d'une technologie de cellule électrochimique est nécessaire pour dimensionner de manière optimale un système BESS. Comme pour l'énergie spécifique, la puissance spécifique (W/kg ou W/l) des batteries lithium-ion est nettement supérieure à la puissance des autres technologies EC telles que le plomb-acide, le Ni-MH, le Ni-Cd et le flux redox.
3. Efficacité : L'efficacité ou plutôt l'efficacité du cycle d'un EC est généralement définie comme le rapport entre la sortie d'énergie (Eo) et l'entrée (Ei) pendant un cycle de charge-décharge. Par exemple, une efficacité de 100 % signifierait qu'une batterie chargée uniquement à l'aide de la production de surplus PV (Ei, ligne pointillée verte, Fig.1) pourrait être suffisante pour compenser le déficit de production PV (Eo, somme lorsqu'elle est déchargée) de rouge zones pointillées, Fig.1). Dans la pratique, cependant, le rendement est toujours inférieur à 100 % car une fraction de l'apport d'énergie à la cellule est perdue sous forme de chaleur pendant la charge. L'efficacité du cycle est une fonction complexe de la puissance, de la température et de l'âge du système BESS. Les batteries lithium-ion saines se caractérisent par une efficacité typique de 90 %, tandis que d'autres technologies telles que les batteries au plomb et les batteries à flux redox sont moins efficaces (~ 80 %).
4. Durée de vie : La batterie atteint la fin de sa vie (EOL) lorsque ses caractéristiques d'énergie et de courant tombent en dessous d'un certain seuil. Un tel seuil est généralement fixé à une fraction de l'énergie (Wh) ou de la capacité (Ah) de la batterie au début de sa vie, avec une valeur typique de 20 %. Par conséquent, l'âge d'utilisation d'une batterie dépend de la rapidité avec laquelle 20 % de capacité et de puissance sont perdus. Cela dépend principalement des conditions de fonctionnement (c'est-à-dire charge, décharge, périodes de repos et température) et du taux de dégradation chimique et mécanique dans la cellule. La génération actuelle de batteries proposées pour le stockage résidentiel (lithium-ion, plomb-acide et flux redox) est généralement garantie pour une durée de 10 ans ou jusqu'à plusieurs milliers de cycles profonds, selon la première éventualité. Dans une application de stockage résidentiel et compte tenu des technologies de batterie matures actuelles, une batterie devra inévitablement être remplacée après 10 à 15 ans.

État actuel des technologies de batterie :jusqu'où et combien de temps

Contrairement aux applications d'électronique portable et de transport (par exemple, véhicules électriques, SLI ou start-lightning-ignition), les batteries ont été beaucoup moins utilisées dans le stockage résidentiel jusqu'à présent. Alors que de nombreuses technologies de batteries pénétreront le marché du stockage résidentiel à l'avenir, les options technologiquement matures sont actuellement assez limitées.

Habituellement, nous listons le prix d'une technologie de batterie comme un prix spécifique normalisé à la taille de stockage ($/kWh). Ce prix spécifique dépend de la technologie (par exemple plomb-acide, lithium-ion, etc.), de la maturité et de la taille du stockage. La nature chimique des composants d'une cellule a un impact significatif sur le prix final d'une technologie particulière. Les coûts matériels d'une batterie sont sensibles à :1) la disponibilité des matières premières dans la nature et la répartition géographique, 2) la synthèse et le procédé et 3) la possibilité de recyclage et de valorisation matière en fin de vie de la batterie. La maturité d'une technologie de batterie peut être caractérisée par sa production globale cumulée (CP) en Wh. Ce paramètre peut également être utilisé dans la soi-disant analyse de la courbe d'expérience pour prédire la baisse future des coûts de production causée par les économies d'échelle. Le prix spécifique est lié à la taille de la batterie :par exemple, une seule cellule lithium-ion cylindrique (~10 Wh) 18650 pourrait coûter 20 % de plus par kWh par rapport à une petite batterie lithium-ion (100 Wh) dans un ordinateur portable.

1. Mature (CP>1 TWh) :La production cumulée actuelle de batteries plomb-acide et lithium-ion dépasse respectivement 10 TWh et 1 TWh. La plupart de ces productions de batteries sont de petite capacité et se retrouvent dans des applications telles que le SLI (plomb-acide, <1kWh) et l'électronique portable comme les smartphones (lithium-ion, <0,1 kWh). Les batteries au plomb coûtent moins de 500 $/kWh, tandis que le prix des batteries lithium-ion varie entre 400 $ et 1 500 $/kWh.
2. Mûrir (CP<100 GWh) :les batteries lithium-ion pour l'électrification des transports sont un exemple remarquable d'une technologie de batterie en constante évolution. De grandes batteries de 10 à 100 kWh sont assemblées ici pour alimenter des véhicules hybrides, hybrides rechargeables et entièrement électriques. Ces batteries ont actuellement un prix spécifique d'environ 250 à 600 $/kWh.
3. Émergent (CP<1 GWh) :l'application des batteries moyennes Li-ion et plomb-acide (1-20 kWh) pour le stockage résidentiel (fig. 2a) émerge avec une installation mondiale de ~1 GWh. Ces dernières années, les batteries à flux redox (fig. 2b) ont reçu plus d'attention et, en plus des applications utilitaires (<0,5 GWh), certaines versions compactes sont actuellement proposées pour le stockage résidentiel. Le coût actuel de ces batteries résidentielles varie entre 500 et 2 000 $/kWh.
4. Non commercial (R&D) :de nombreuses technologies cellulaires prometteuses sont en cours de développement pour la prochaine génération de batteries. L'objectif est d'aller au-delà des toutes dernières batteries lithium-ion en termes de performances, de durabilité et de sécurité :
   1. Électrolytes avec une stabilité électrochimique et thermique plus élevée :par ex. composite et solide
   2. Électrodes à base de matériaux actifs à haute énergie et/ou durables :par exemple Na, Si, S, O2

Faisabilité et tendances futures

Quelle est la différence de temps entre l'investissement et la période de récupération du stockage résidentiel ? La période de récupération dépend de plusieurs facteurs tels que le prix de l'électricité, les incitations gouvernementales et le prix de la batterie. Son âge est actuellement estimé entre 8 et 15 ans, compte tenu des tendances actuelles et de la littérature existante. Une période de récupération de 5 à 6 ans peut être atteinte dans un proche avenir en raison de la hausse du prix de l'électricité et de la baisse du prix des batteries. Les analyses de la courbe d'expérience disponibles dans la littérature suggèrent que le prix des piles domestiques sera inférieur d'environ 12 à 15 % pour chaque doublement de la production cumulée. Cela correspondrait à un prix estimé de 250 à 400$/kWh pour les batteries résidentielles au moment où elles seront technologiquement matures (soit CP> 1 TWh).

Conclusion

• Les batteries sont des options prometteuses pour promouvoir la croissance des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique d'une société durable.
• Les batteries lithium-ion sont à la pointe de la technologie et ont la plus haute efficacité, énergie et densité de puissance.
• Les systèmes de stockage de batteries résidentiels deviennent de plus en plus possibles grâce à la baisse constante des coûts de production des batteries

Références

1. M. Safari. "Véhicules électriques à batterie :regarder derrière pour aller de l'avant", Politique énergétique 2018 (115) :54-65.
2. B. Joos, T. Vranken, W. Marchal, M. Safari, MK. Van Bael, A. Hardy. "Eutectogels :une nouvelle classe d'électrolytes composites solides pour les batteries Li/Li-ion", Chimie des matériaux , 2018 (30):655-66
3. O. Schmidt, A. Hawkes, A. Gambhir, I. Staffell. "Le coût futur du stockage de l'énergie électrique sur la base des taux d'expérience", Nature energy , 2017(2) :17110.
4. V. Muenzel, I. Mareels, J. de Hoog, A. Vishwanath, S. Kalyanaraman, A. Gort. « Production photovoltaïque et inadéquation de la demande :évaluer le potentiel du stockage résidentiel », Conférence IEEE Power &Energy Society Innovative Smart Grid Technologies (ISGT ), Washington 2015 :1-5.